VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT GỐM SẠCH BỀN NHIỆT
BỀN HÓA PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG CNĐT: NGUYỄN TIẾN ĐIỆP
8329


O
18
(2MgO.2Al
2
O
3
.5SiO
2
) 18
1.6.2. Hệ Mullit (3Al
2
O
3
.2SiO
2
) 18
1.6.3. Hệ Corindon, corindon-Mulit 19
1.6.4. Hệ vật liệu zirconia ổn định ZrO
2
. 19
PHẦN II. THỰC NGHIỆM 22
2.1. Trình tự thực nghiệm: 22
2.2. Lựa chọn nguyên liệu 22
2.2.1. Các nguyên liệu dẻo 22
2.2.2. Các nguyên liệu gầy 23
2.2.3. Các nguyên liệu khác 23
2.3. Các thiết bị dùng để thí nghiệm 24
2

2.4. Xây dựng các bài phối liệu nghiên cứu 24

dụng được trong lò vi sóng sử dụng
để nấu chín thức ăn,… nhưng vẫn đảm
bảo sản phẩm không bị nứt vỡ hay biến dạng, đồng thời đảm bảo các quy định
về an toàn vệ sinh thực phẩm, môi trường không gây độc hại, nguy hiểm đến
sức khỏe của người sử dụng.
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:
Vật liệu gốm bền sốc nhiệt chất lượng cao dùng làm đồ đ
un nấu đã được
sản xuất ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật, Đức, Hàn Quốc,
Vào thập niên cuối thế kỷ 20, song hành với việc phát triển sản phẩm lò vi
sóng, nồi cơm điện và các sản phẩm đun nấu giá trị cao, các nước này đã có
sự tập trung đầu tư nghiên cứu dòng vật liệu gốm sạch, độ bền nhiệt cao. So
với gốm truyền thống chúng có những đặc tính kỹ thuật tốt hơn rất nhiều đặc
biệt là độ sạch và tính bền sốc nhiệt do được đi từ nguyên liệu có độ sạch cao
và quá trình tổng hợp có xử lý tạo các khoáng bền nhiệt cao như mullit,
cordierite, coridon – periclaz, zirconia - tinh thể dạng monoclinic Các
khoáng này có khả năng chịu bền sốc nhiệt cao, chịu tác động trực tiếp ngọn
lửa cao nhiệt tố
t. Một số loại còn có khả năng chịu bền xung nhiệt cao như
4

gốm tổng hợp có bổ xung bột ZrO
2
, bột thủy tinh thạch anh Hiện nay,
Trung Quốc là nước sản xuất và sử dụng nhiều nhất loại sản phẩm này do tính
chất của vật liệu gốm rất được ưa chuộng cho đun nấu những món ăn Á
Đông.
Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Dòng sản phẩm gốm chất lượng cao, có xử lý nhiệt tạo các khoáng với
tính bền sốc nhiệt và bền cơ cao, giúp cho số lầ

Nội dung nghiên cứu:
- Khảo sát nguyên liệu và phân tích thành phần hóa, khoáng phục vụ nghiên
cứu và sản xuất.
- Thử nghiệm, xác định đơn phối liệu và thông s
ố tổng hợp vật liệu trong
phòng thí nghiệm.
- Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất các loại sản phẩm gốm sứ đun nấu
bền nhiệt cao. Sản xuất thử nghiệm.
- Đánh giá chất lượng, thử nghiệm sản phẩm.
6

PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái niệm Gốm sạch:
Thuật ngữ Gốm sạch hiện chưa có định nghĩa một chính xác xong với phạm
vi đề tài nghiên cứu khái niệm này được xác định như sau:
Kỹ thuật sản xuất Gốm sứ đã có hàng ngàn năm và các dụng cụ gốm sứ dùng
để đun nấu (cooking ware) cũng đã được sản xuất từ rất lâu nhưng chất lượng
và mức độ vệ
sinh an toàn thực phẩm thì chưa được quan tâm đúng mức. Các
sản phẩm thường thấy từ cổ truyền ( tìm thấy khi khai quật các di chỉ cổ vật)
và của các làng nghề truyền thống hiện nay như: Phù Lãng, Bát tràng, Bạc
Liêu… Đều là sản phẩm dạng Gốm thô chủ yếu từ đất sét nung, không tráng
men hoặc men muối. Các sản phẩm này có độ xốp khá lớn độ hút nước cao
nên khi đun nấu thực phẩm bị
thẩm thấu vào trong rất khó vệ sinh, nếu các lần
sử dụng cách nhau xa thì rất dễ nhận ra các váng màu trên bề mặt và có mùi
hôi mặc dù đã vệ sinh rất kỹ. Chưa xét đến các nguồn đất sét hiện nay bị ô
nhiễm nguyên liệu đầu không được kiểm soát các chất độ hại có thể bị mang
vào sản phẩm và thôi ra trong quá trình sử dụng sẽ gây hại đến sức khỏe con
người.

lớn
mg/l 1 0.25
Dụng cụ có lòng sâu để
bảo quản
mg/l 0.5 0.25
Cốc và chén mg/l 0.5 0.25
Dụng cụ dùng để nấu mg/l 0.5 0.05

Giới hạn cho phép chì thôi ra của Mỹ: Theo quy định hiện tại của Liên bang
Mỹ, các sản phẩm gốm sứ chỉ được phép chứa không quá 0,03% hàm lượng
chì. [www.saga.vn]

8

1.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất sứ gia dụng
Công nghệ sản xuất gốm sứ gia dụng được mô tả tổng quát bằng sơ đồ
dưới đây.


đổ rót).
Sản phẩm đã được tạo hình sẽ được sấy khô ở nhiệt độ sấy thích hợp,
sau đó được sửa mộc. Sản phẩm mộc sau khi sửa sẽ được tráng men và trang
trí hoa văn tùy thuộc loại sản phẩm.
Sản phẩm mộc sau khi đã được tráng men, trang trí hoa v
ăn được nung
với nhiệt độ nung thích hợp nhằm tạo ra sản phẩm đạt được các tính chất kỹ
thuật theo yêu cầu.
Cuối cùng sản phẩm sau nung sẽ được phân loại để loại bỏ các sản
phẩm không đạt yêu cầu về chất lượng đề ra ban đầu, các sản phẩm đạt yêu
cầu được đóng gói và nhập kho sản phẩm.
Nhận xét:

Qua dây chuyền công nghệ sản xuất sứ gia dụng như trên, để nâng cao
được độ bền nhiệt và cho sản phẩm sứ gia dụng ta có thể tác động đến các
công đoạn chủ yếu như sau:
+ Tác động đến bài phối liệu: mục đích điều chỉnh thành phần các
nguyên liệu nhằm để tạo ra bài phối liệu tối ưu nhất, để đạt được điề
u mong
muốn của đề tài là nâng cao được độ bền cơ và bền nhiệt. Vì thế, bài phối liệu
phải tạo ra:
- Tạo ra được các khoáng có độ bền cơ cao như Mulite…, bền nhiệt
cao như Cordierite
- Các khoáng đã được tạo ra phải sắp xếp liên kết tốt với nhau, với
hàm lượng và tính chất của pha thủy tinh hợp lý.
+ Tác động đến giai đoạn tạo hình: Lựa chọn phương pháp t
ạo hình
thích hợp để tạo ra được mẫu sản phẩm có độ xít đặc cao, ít lỗ xốp.
- Trong quá trình thí nghiệm nghiên cứu vật liệu của đề tài ta dùng
phương pháp ép bán khô, hoặc ép dẻo để tạo mẫu kiểm tra các tính chất của

0
C).
+ Độ dẫn nhiệt a: đặc trưng cho vận tốc lan truyền nhiệt độ trong vật
liệu gốm khi thay đổi điều kiện đốt nóng.

]/[
2
hm
C
a
bk
γ
λ
×
=

Với: - C: nhiệt dung hay tỷ nhiệt của vật liệu gốm [kcal/kg.
0
C].
-
bk
γ
: khối lượng thể tích hay khối lượng biểu kiến [g/cm
3
].
Nếu vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt
→ gradient theo thời gian chênh
lệch nhiệt độ lớp bề mặt và lớp sâu trong vật liệu nhỏ, do đó khả năng phá
hủy vật liệu nhỏ
Khi

cordierite, Liti alumosilicat )
1.3. Độ bền cơ học và các yếu tố ảnh hưởng
1.3.1. Biến dạng đàn hồi của vật liệu gốm
Sự phá hủy do tác động ngoại lực lên đa số vật liệu gốm ở nhiệt độ
thường là phá hủy giòn, nghĩa là sự phá hủy xảy ra khi vật liệu có một độ biến
dạng đàn hồi nhỏ dưới tác động củ
a ngoại lực.
Biến dạng đàn hồi trong vật liệu được xác lập bởi sự tăng khoảng cách
của các nguyên tử, ion, nhóm nguyên tử làm cho mẫu nở ra, làm tăng năng
lượng mạng lưới tinh thể trong cấu trúc gốm. Thể hiện qua biểu thức của định
luật Hook:

ε
σ
.E
=

Với: -
σ
: ứng suất max.
- E: modun đàn hồi (modun Young).
-
ε
: độ dãn dài tương đối (biến dạng đàn hồi). 12

1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ của vật liệu gốm
Với các vật liệu gốm thông thường có độ bền cơ tính theo lý thuyết từ (1

mất cường độ nhanh chóng.
+ Lỗ xốp hở, xuyên: các lỗ xố
p này chính là nơi để các tác nhân hóa
học, khí, lỏng xâm thực vào sản phẩm gây phá hủy sản phẩm làm độ bền cơ
giảm mạnh.
13

c. Ảnh hưởng của hàm lượng pha thủy tinh, pha tinh thể
Ta biết rằng, pha thủy tinh có độ bền cơ thấp hơn pha tinh thể. Ta có
thể lấy modun đàn hồi làm ví dụ:
E
phaathuytinh
~ 0,7.10
6

KG/cm
2
.
E
phaatinhthe
: corindon: (3,4 – 4).10
6
KG/cm
2
.
Mullit: (1,1 – 1,5) .10
6
KG/cm
2
.

ữa các hạt và pha thủy tinh
có tạo nên ứng suất nhiệt do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau giữa chúng. Kích
thước hạt cũng như sự khác biệt của hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần
cấu trúc càng lớn thì đại lượng ứng suất càng lớn, càng tạo nhiều vết nứt tế vi
bên trong vật thể và làm giảm độ bền cơ của vật liệu.
14

Hình dạng các hạt có ảnh hưởng đến độ bền cơ của gốm. Các tinh thể
tạo với nhau thành các kết hạch, hoặc có dạng hình kim (như tinh thể Mulit)
phân bố đan xen với nhau và nằm đều trong nền pha thủy tinh có ảnh hưởng
tốt đẹp đến độ bền cơ học.
1.4. Các phương pháp làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt
Qua các nhận định về các yếu t
ố ảnh hưởng tới độ bền cơ, bền nhiệt ở
trên câu hỏi được đặt ra là chúng ta phải làm gì để tăng được độ bền cơ, bền
nhiệt cho vật liệu gốm gia dụng?
1.4.1. Tăng độ bền cơ
Để tăng độ bền cơ chúng ta có thể tác động đến các yếu tố sau:
+ Đối với phối liệu xương:
- Tăng hàm lượng oxit nhố
m Al
2
O
3
để tăng hàm lượng pha tinh thể:
mulit, corindon, hay tăng hàm lượng các oxit khác để tạo ra hệ Mullit –
cordierite, Mullit – Coridon.
- Cải thiện tính chất của pha thủy tinh: tức là làm cách nào để tăng
cường độ cho pha thủy tinh, giảm pha thủy tinh tới mức tối thiểu đảm bảo để
đủ liên kết các pha tinh thể và lấp đầy các lỗ trống.

giống, bởi thủy tinh thông thường khi nấu có thể chứa trong bể khuấy cho
đồng nhất và khử bọt. Men khi nóng chảy phải đồng nhất mà không cần một
sự trợ
giúp cơ học nào.
- Do vậy, phải tạo được một hỗn hợp chảy lỏng đồng nhất ở nhiệt độ
mong muốn.
Trong quá trình nóng chảy và ngay sau đó, các ôxít trong men phản
ứng với bề mặt xương gốm để tạo nên một lớp trung gian. Phản ứng này rất
quan trọng vì nó ảnh hưởng đến độ bền cơ học của men, nó phụ thuộc thành
phần hóa học của men và Xươ
ng.
- Do vậy, phải tính toán sao cho thành phần hóa của men phải gần
giống thành phần hóa của xương gốm.
Quá trình làm nguội (giảm nhiệt độ) xảy ra ngược với quá trình nung
(tăng nhiệt độ), nếu hệ số giãn nở nhiệt của men và xương không phù hợp
nhau sẽ gây ra bong hoặc nứt men.
- Cho nên, hệ số giãn nở nhiệt của men và xương phải phù hợp nhau.
Men nung xong phải cứng, nhẵ
n, bóng (ngoại trừ men mat). Bên cạnh
đó, tính trong suốt, không màu, tính sáng bóng của men không phải lúc nào
cũng như mong muốn. Nếu xương gốm có màu thì phải dùng men đục để che
16

lấp màu của xương, ngoài ra có thể chế tạo men mờ, men kết tinh và vô số
men màu khác.
- Do vậy thành phần hóa của men phải được điều chỉnh sao cho
men có được các tính chất cơ - lý – hoá - quang mong muốn.
1.5.2. Tính chất của men
Men có rất nhiều tính chất như: độ nhớt, sức căng bề mặt, độ giãn nở
nhiệt, độ cứng, độ đàn hồi và độ mài mòn. Nhưng ở đây ta chú ý nhiề

Độ bền cơ và bền nhiệt đều phụ thuộc vào ứng suất của cấu trúc vật
liệu. Bền nhiệt cao tức là ứng suất do dao động nhiệ
t tạo ra không phá vỡ
được liên kết của vật liệu, cấu trúc vật liệu cân bằng và ổn định dẫn đến độ
bền cơ tăng và ngược lại.
Với mục đích nâng cao độ bền cơ và bền nhiệt của vật liệu gốm sứ gia
dụng để đạt được hiệu quả tối ưu ta phải chú ý đến tương tác giữa xương và
men.
Sự
chênh lệch hệ số giãn nở của men và mộc trong phạm vi hẹp không
gây khuyết tật vì men có khả năng đàn hồi trong một phạm vi nhất định.
Trong các trường hợp thì độ bền cơ học của sản phẩm tăng nếu men ở trạng
thái bị nén do đó cần sử dụng men có hệ số giãn nở nhỏ hơn hệ số giãn nở của
xương gốm. Tuy nhiên, nếu chênh l
ệch quá nhiều, ứng lực sinh ra lớn hơn độ
bền thì sẽ có hiện tượng nứt hoặc bong men.
Một vấn đề cần quan tâm khi muốn xương và men phù hợp với nhau
là phải tạo ra lớp trung gian có độ dày nhất định.
Tất cả các loại men trong quá trình nung đều có gắn ít hoặc nhiều đối
với xương sản phẩm. Khi nung giữa men và xương cần phải tạo ra một lớp
trung gian hay lớp quá độ
, lớp này có tác dụng hòa ứng lực xuất hiện giữa
xương và men giảm ứng lực. Lớp trung gian này càng dày thì xương và men
càng phù hợp nhau. Về mặt hóa lý, đây là một quá trình phức tạp bao gồm các
phản ứng hóa học do bản chất khác nhau giữa xương và men (tính kiềm của
men lớn hơn xương và tính axít ngược lại). Song song quá trình phản ứng hóa
học còn có quá trình hòa tan, thấm ướt giữa pha lỏng và pha rắn và quá trình
kết tinh.
Sự hình thành lớp trung gian phụ
thuộc thành phần xương và men,

0
K
-1
. Do hệ số
dãn nở nhiệt thấp, cường độ kháng nén tương đối cao, mức độ ổn định và an
toàn trong dải nhiệt độ làm việc dưới 1360
0
C khá tốt nên hệ vật liệu này được
ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp nhiệt, đặc biệt công nghiệp sản xuất
vật liệu gốm sứ làm tấm kê, trụ đỡ, bao nung sản phẩm Nhược điểm lớn
nhất hạn chế khả năng tổng hợp và ứng dụng hệ vật liệu này là độ chịu lửa
không cao. Mặt khác, quá trình tổng hợp vật liệ
u khá khó khăn do khoảng kết
khối của cordierite rất hẹp.
1.6.2. Hệ Mullit (3Al
2
O
3
.2SiO
2
)
Hệ tinh thể Mulit được tạo ra trong khoảng nhiệt độ cao 1350 –
1400
0
C. Các tinh thể Mulit có kích thước ở dạng hình kim, hình lăng trụ dài
và chúng phân bố lộn xộn thành mạng lưới giống nỉ, dạ trong các đoạn
nguyên liệu sét. Nó tạo lên một mạng lưới như vậy đã làm tăng cường độ cơ
học của vật liệu, làm cho vật liệu gốm trở lên vững chắc và giúp vật liệu gốm
có độ bền uốn, bền nén cao và ổn định.
Dự

C. Tại nhiệt độ
này sản phẩm đạt mật độ 3,75 – 3,85g/cm
3
hay mật độ tương đối đạt 0,94 –
0,96%. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ đến 1800 – 1850
o
C và lưu nhiệt độ lâu ở
vùng nhiệt độ này cũng không làm tăng thêm mật độ.
1.6.4. Hệ vật liệu zirconia ổn định ZrO
2
.
Zirconia có nhiệt độ nóng chảy rất cao có thể trên 2700
0
C (thường
trong khoảng 2500 - 2600
0
C) và độ dẫn nhiệt thấp(ở 100
0
C độ dẫn nhiệt
1,5kcal/mh độ). Tuy nhiên, do cấu trúc tinh thể có tính đa hình - biến đổi pha
thù hình khi thay đổi nhiệt độ, dẫn đến giới hạn khả năng ứng dụng của hệ vật
liệu gốm zirconia trong công nghiệp gốm sứ và nhiệt độ cao. Zirconia có ba
dạng thù hình chính: Dạng đơn tà tồn tại trong khoảng nhiệt độ dưới 1170
0
C;
trong khoảng 1170-2370
0
C dạng thù hình chính ổn định là dạng tứ phương;
trên 2370
0


Fused quartz (FQ) có cấu trúc thủy tinh vô định hình điển hình. Cấu
trúc FQ bao gồm liên kết chéo ba chiều ở mức độ rất cao làm cho nó có khả
năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao với độ nhớt rất cao và ít thay đổi trong
dải nhiệt độ rất rộng. Ngoài ra, hệ số dãn nở nhiệt rất thấp, nằm trong khoảng
0,55.10
-6

0
K
-1
, FQ là một trong những vật liệu bền sốc nhiệt lý tưởng. Là một
vật liệu bền hóa, FQ hầu như không bị ăn mòn bởi acid và các hóa chất khất
khác. Các chỉ tiêu tổn hao và hằng số điện môi của FQ cũng rất nhỏ. Đó chính
là lý do tại sao FQ là một trong những vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp nấu chảy kim loại bằng xung siêu cao tần.
Mặc dù ở nhiệ
t độ thường, độ cứng của FQ khá cao và có xu hướng phá
hủy giòn như các vật liệu gốm hoặc thủy tinh khác. Tuy nhiên ở nhiệt độ cao,
sự hình thành pha lỏng (biến mềm) với độ nhớt cao, FQ có xu hướng cải thiện
đáng kể khả năng ổn định và tăng bền sốc nhiệt của vật liệu.
1.7. Định hướng nghiên cứu
Trên cơ sở phân tích các vấn đề lý thuyết về tính ch
ất cơ, nhiệt và một
số thông số kỹ thuật của các hệ tinh thể, một số định hướng mà đề tài sẽ triển
khai nghiên cứu như sau:
- Lựa chọn hệ vật liệu cần tổng hợp chế tạo là hệ Mulite- Cordierite
- Khảo sát các thông số kỹ thuật của phối liệu khảo sát thăm dò (phối
liệu sứ dân dụng làm ấm sắc thuốc bắc c
ủa công ty sứ Hải Dương).

Nguyên liệu chính để sản xuất gốm sứ nói chung và sứ gia dụng nói
riêng là các loại đất sét, cao lanh (nguyên liệu dẻo); các loại thạch anh, fenpat
(nguyên liệu gầy). Ngoài ra còn có các nguyên liệu phụ khác như hoạt thạch,
đôlômit, các oxit kim loại…; các nguyên liệu đặc biệt làm phụ gia trợ giúp
cho một số quá trình công nghệ.
2.2.1. Các nguyên liệu dẻo
Đề tài nghiên cứu sử d
ụng các nguyên liệu dẻo là: đất sét Trúc Thôn
(TT), cao lanh Phú Thọ(PT).
Các nguyên liệu này đã được qua chế biến lọc bỏ các tạp chất. Có thành
phần hóa học như sau:
23

Bảng 1:Thành phần hóa của nguyên liệu dẻo
Thành phần hóa, %
Nguyên liệu
SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
TiO
2
CaO MgO K
2

Fenpat Phú
Thọ
76,97 13,64 0,21 0,03 0,70 0,18 3,32 3,38 0,29
Fenpat Lào
Cai
69,45 16,71 0,147 0,028 0,719 0,205 9,27 2,92 0,56
Thạnh anh 99,12 0,36 0,14 0,03 0,02 0,07 0,04 0,02 0,20
Talc 60,43 0,57 0,66 - 1,7 29,47 0,02 0,03 7,12
Sạn-
Cordierite
48,43 31,63 0,51 0,38 0,36 15,11 0,87 0,17 2,09

2.2.3. Các nguyên liệu khác
Ngoài ra đề tài nghiên cứu sử dụng oxit Nhôm – Al
2
O
3
, và hidroxit
Nhôm – Al(OH)
3,
hệ Mullit – Cordierite đã tổng hợp (Samot), Talc…. Và các
nguyên liệu dùng chế tạo phối liệu men.
24

2.3. Các thiết bị dùng để thí nghiệm
Trong phần này đề tài chỉ nêu lên một số thiết bị được dùng làm thí
nghiệm, đề tài không đi sâu miêu tả cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của mà chỉ
nêu mục đích sử dụng của các thiết bị.
Máy nghiền bi sứ siêu tốc để nghiền mịn bài phối liệu với: 500g/mẻ
nghiền, với tỷ lệ liệu/nước/bi ~ 1/0,9/0,8, nghi

2
O
3

(%)
Fe
2
O
3

(%)
TiO
2
(%)
CaO
(%)
MgO
(%)
K
2
O
(%)
Na
2
O
(%)
67,16 21,68 0,98 0,35 0,30 0,22 2,99 1,0