کائولن یا خاک چینی

کائولینیت یک ماده ی معدنی رسی متداول می باشد که کائولن یا خاک چینی نامیده می شود و به همراه چند ماده ی معدنی دیگر، گروهی با نام دیکیت (dickite) یا ناکریت (nacrite) تشکیل می دهند. کائولینیت از سنگهای مختلفی نشئت می گیرند که محتوی فلدسپار می باشند. این سنگ ها دچار هوازدگی می شوند و کائولینیت بدین صورت تشکیل می شود. تغییر فلدسپار در دو مرحله انجام می شود. اولین مرحله موجب می شود تا این ماده، به مونت موری لونیت و مرحله ی دوم موجب تشکیل کائولینیت می شود. ذخیره های کائولینیت ممکن است اولیه (درجا) و یا ثانویه (انتقال یافته) باشند، اما ذخیره های درجا، متداول تر می باشند. ترکیب شیمیایی نمونه وار مربوط به خاک چینی خالص بیشتر از سیلیس می باشد. این سیلیس به صورت سیلیکات می باشد (در حدود 47.50 % سیلیکات). همچنین در این ماده آلومینا (34.37 %) نیز وجود دارد. در هنگام احتراق، در حدود 10-12.5 % از این ماده، آب است و خارج می شود. ترکیب شیمیایی این ماده، دارای ثبات قابل توجهی می باشد. در طبیعت، مقادیر اندک از اجزای دیگر، مانند سیلیس آزاد، میکا و اکسید آهن، دی اکسید تیتانیوم، اکسید کلسیم، اکسید منیزیم، اکسید پتاسیم و اکسید سدیم، نیز در این ماده وجود دارد. میزان ناخالصی در ذخایر اولیه، بیشتر از ذخایر ثانویه می باشد. تولید چینی آلات بدنه سفید، به این ماده، مدیون می باشد.

مزیت ها

خاک چینی، به دلیل خلوص بالا ماده ای ارزشمند است و ناخالصی های موجود را باید تا حد ممکن خارج سازی نمود تا بدین وسیله، بتوان خاک چینی خام را به ماده ای ارزشمند تبدیل نمود. برخی از استفاده های این ماده، به دلیل درجه ی خلوص بالای آن می باشد. دو فرایند به نام های فرایند تر و فرایند خشک وجود دارد که بوسیله ی آنها فرایند خالص سازی، انجام می شود. در ادامه این فرایندها را توصیف خواهیم کرد.

فرایند خشک

این فرایند ساده و نسبتاً ارزان قیمت است اما رویه ی آن محدود می باشد و تنها ناخالصی های با اندازه بزرگتر و سنگین تر از آن، جداسازی می شود. در این حالت ذرات رس ریزتر و سبک تر، دارای ناخالصی بیشتری هستند. رس های خام ابتدا آسیاب می شوند و خشک می شوند تا بدین صورت رطوبت نداشته باشند. سپس عملیات سایش بر روی آنها انجام می شود تا ذرات بسیار ریز ذرات رس از ذرات ناخالصی خارج شوند. این فرایند صافی کاری گفته می شود. در نهایت، جدایش ذرات رس بوسیله ی بخش طبقه بندی هوایی انجام می شود.

فرایند تر

این فرایند پیچیده تر می باشد و بر اساس نوع خاک، تفاوت هایی دارد. این فرایند موجب می شود تا مقادیر قابل توجهی از ناخالصی از خاک چینی، خارج شود. در ابتدا، خاک به صورت دوغاب در آمده و سپس کسر درشت تر ذرات جداسازی می شود. این کار با استفاده از عوامل شیمیایی مختلف و یا با استفاده از سیکلون های آبی و یا بخش های طبقه بندی کننده ی حلزونی، انجام می شود. کسری از دوغاب که حاوی ذرات با اندازه ی بزرگتر از 45 میکرون می باشند، خارج سازی می شوند. دوغاب محتوی ذرات با اندازه ی کمتر از 45 میکرون سپس به دو کسر ذرات زیر 2 میکرون و ذرات بین 45 و 2 میکرون، طبقه بندی می شود. این کار بوسیله ی سیکلون های آبی یا فرایند دی فلوکولاسیون، انجام می شود. مورد اول برای برخی از کاربردهای غیر سرامیکی، مورد استفاده قرار می گیرند. اما هر دوی این دوغاب ها، هنوز هم حاوی مقادیری اکسید تیتانیوم، اکسید آهن و میکا هستند. اکسید تیتانیوم و آهن اکسیدهای رنگی هستند که بواسطه ی روش جداسازی مگنتیک، جداسازی می شوند. البته با استفاده از روش های الترا فلوتاسیون، نیز این اکسیدها، قابلیت جداسازی از کائولن را دارا می باشند. بنابراین کسرهای خالص سازی شده از دوغاب رسی، سپس تحت فرایند سفیدکاری قرار می گیرند و بدین وسیله میزان سفید بودن آنها، بیشتر می شود. در نهایت، این کسرهای دوغاب تحت فرایند فیلتراسیون و خشک کاری قرار می گیرند.

معیار استفاده

برخی ویژگی های شاخص وجود دارند که از نقطه نظر استفاده ی صنعتی از خاک چینی، مهم می باشد. در واقع ویژگی های قابل توجه مربوط به خاک چینی به صورت زیر می باشد:

سفید بودن

هم خاک چینی پخت شده و هم پخت نشده، موادی سفید رنگ هستند. میزان نرمال مواد رنگی مانند اکسید آهن، باید تنها در گستره ی 0.6 تا 1.3 % باشد. پارامتر رنگزایی L باید بین 90- 96 باشد

درخشش

درخشش مربوط به خاک چینی کالیبره شده (یعنی خاک چینی با دانه های ریز و یکنواخت) به صورت انعکاس در نور آبی، اندازه گیری شده است (طول موج 457 میکرون). این مقدار از درخشش عددی بین 80 تا 87 می باشد.

نقطه ی ذوب خاک چینی، برابر با 1785 درجه ی سانتیگراد است.

وزن مخصوص این ماده، 2.6 می باشد.

پلاستیسیته ی این ماده بسیار پایین است (تقریباً پلاستیسیته ندارد)

این ماده یک ماده ی نرم است و می توان آن را به ذرات زیر یک میکرون تبدیل کرد. در این اندازه، این ماده به سرعت در داخل آب پراکنده می شود و به صورت یک سوسپانسیون پایدار در می آید و به مدت طولانی حالت خود را حفظ می کند.

از لحاظ شیمیایی، این ماده خنثی است و سمی نیست اما جذب روغن آن، به شدت بالاست (25-45 %)

از لحاظ الکتریکی، این ماده نارساناست

ضریب شکست آن نیز 1.56 می باشد

شرینکیج خشک این ماده برابر 14 % می باشد و شرینکیج پخت این ماده نیز برابر با 18 % می باشد.

این خواص، خواص استانداردی هستند که در خاک چینی های تجاری، مشاهده شده است. به هر حال، ممکن است تغییر قابل توجهی در ترکیب ناخالصی های این ماده وجود داشته باشد. همچنین برخی از پارامترهای فیزیکی وجود دارد که بوسیله ی صنعت مورد استفاده، تعیین می شوند.

مشخصات و کاربردها

برای اهداف مختلف، خاک چینی، هم به صورت فرآوری شده و هم به صورت خام، مورد استفاده قرار می گیرد. ناخالصی های موجود در خاک چینی، می تواند از موادی همچون سیلیس، اکسید آهن، اکسید تیتانیوم، اکسید آهک، اکسید منیزیم و اکسید سدیم باشد. میزان این ناخالصی ها باید در گستره ی استاندارد باشد. علاوه بر این، ویژگی های فیزیکی مانند پلاستیسیته، درخشش، رنگ، اندازه ی ذرات، رسانایی و ... نیز نقش مهمی در تصمیم گیری در مورد استفاده ی نهایی از خاک چینی، دارد.

خیلی مواقع، در استفاده های خاص مخصوصاٌ استفاده هایی که در آن خاک چینی به تنهایی پخت نمی شود و با مواد دیگر مخلوط می شود، این خواص بسیار مهم می باشند. به عنوان یک نتیجه، برخی خواص مربوط به خاک چینی خالص، تغییر داده می شوند تا بدین صورت، خواص این خاک ها، با خواص مد نظر، تطبیق یابد.

استفاده های مهم از این ماده ی معدنی، عبارتند از:

تولید سرامیک و لعاب (دیرگداز و زودگداز)

چینی استخوانی

صنعت نساجی

صنعت کاغذ

صنعت لاستیک

صنعت پلاستیک

صنعت رنگ

داروها و لوازم آرایشی

ساخت حشره کش

سیمان سفید

تولید جوهر

تولید لاجورد

تولید زئولیت های مصنوعی

کاتالیست ها

صابون سازیی و مواد شوینده

الیاف شیشه

مواد منفجره و وسایل آتشبازی

چسب ها و مواد آب بندی

تولید متاکائولن

در ادامه در مورد این استفاده ها، صحبت می کنیم.

تولید سرامیک و لعاب (دیرگداز و غیردیرگداز)

غیر دیرگداز: واژه ی سرامیک از کلمه ی " keramos" مشتق شده است که در اصل، به معنای رس های معمولی پخت شده و تف جوشی شده، می باشد. محصولات سرامیکی اولیه (مانند سفال و آجر) تنها از رس ساخته شده اند. این رس ها، سخت و مقاوم در برابر عوامل شیمیایی هستند ولی رنگ قهوه ای دارند، متخلخل هستند و ترد می باشند. امروزه، محصولات سرامیکی دیگر معمولاً سفید رنگ هستند. این محصولات با کیفیت بالا و سفید رنگ نه تنها سخت و در برابر عوامل شیمیایی، مقاومت هستند، بلکه همچنین تخلخلی نداشته و استحکام بسیار بالاتری دارند. این مواد از خاک چینی، تولید می شوند.

فرایند تولید

اصل مورد استفاده در فرایند تولید، در واقع مخلوط نمودن خاک چینی با کوارتز یا سیلیس و سایر انواع رس (مثلا بالکلی)، فلدسپار و برخی مواد فلاکس می باشد. این مواد با 30-40 % آب مخلوط می شوند. این مخلوط در آسیاب، تحت عملیات سایش قرار می گیرد و دوغاب حاصله بعد از فیلتر شدن، در داخل قالب های مناسب وارد شده و شکل قالب را به خود می گیرد. این اشکال حاصله، خشک شده و سپس در دمایی مناسب، پخت می شوند. این دما در گستره ی 1200 تا 1500 ℃ می باشد. این دما به سختی محصول نهایی بستگی دارد اما معمولاً دما در حدود 1300 ℃ می باشد. این محصول پخته شده، پیش از لعاب زنی، بیسگوییت نامیده می شود. محصولات سرامیکی مختلف، می توانند با انواع مختلف و مقادیر مختلف از خاک رس، تولید شوند. یک نوع خاص از محصولات سرامیکی که برای فیلتراسیون آب استفاده می شوند، شامل قطعات سرامیکی با تخلخل های میکرویی است که موجب می شود ذرات پراکنده در آب، جداسازی شود. در موقع پخت، مواد آلی می سوزند و موجب ایجاد تخلخل در این ساختارها می شوند.

لعاب زنی

اگر محصول تک لعابه باشد، پیش از پخت، لعاب زنی می شود. هدف از لعاب زنی، در واقع مهیا نمودن یک پوشش یکنواخت و چسبنده بر روی سطح بدنه ی سرامیکی می باشد. این پوشش موجب می شود تا سوراخ ها و تخلخل های موجود در سطح، پوشانده شود. این لعاب از اجزایی مشابه با بدنه تولید می شود اما میزان فلدسپار و کوارتز لعاب بیشتر است. این مواد اولیه با هم مخلوط می شوند و در نهایت آسیاب شده و با آب مخلوط می شود. این مخلوط لعاب نامیده می شود. بدنه ی خام قالب گیری شده ی محصولات به داخل لعاب وارد می شود و سپس در دمایی در حدود 1400 ℃ پخت می شوند. رنگ ها و طراحی های دکوراسیونی، در صورت نیاز بر روی لعاب اعمال می شود.

لعاب ممکن است لعاب های خام یا لعاب های فریتی باشند. لعاب خام شامل مواد نامحلول می باشد، در حالی که لعاب فریت شده، قبل از اعمال بر روی کاشی، حرارت داده می شوند و این مسئله موجب بروز تغییرات شیمیایی در اجزا می شود. لعاب نه تنها باید ذوب شود، بلکه باید به طور یکنواخت بر روی سطح، پخش شود.

مشخصات

خواص مناسب و مشخصی مانند رنگ پخت سفید، شرینکیج پایین، نرمی سطحی و رسانایی الکتریکی ضعیف از جمله ویژگی های گریدهای تجاری خاک چینی، محسوب می شود. اما خواص محدود کننده ی این ماده، عبارتست از پلاستیسیته ی پایین و دمای پخت بالاتر. در واقع پلاستیسیته ی پایین موجب می شود تا این ماده قابلیت قالبگیری نداشته باشد در حالی که دمای پخت بالاتر، نیز موجب می شود تا هزینه های تولید به طور قابل توجهی، افزایش یابد. مواد دیگری برای بهبود پلاستیسیته و کاهش دمای ذوب، به خاک چینی افزوده می شوند. ولی مواد افزوده شده، موجب می شود تا سایر خواص خاک چینی، افت کند. از این رو، میزان افزایش این مواد افزودنی، باید معقولانه باشد.

گستره ی بهینه ی اندازه ی ذره نیز یک مورد مهم می باشد. در واقع ذرات درشت ترف موجب افزایش تخلخل محصولات می شود در حالی که ذرات ریزتر، موجب بروز مشکلاتی در زمینه ی خروج آب در طی فرایند فیتراسیون، ایجاد می کند.

رنگ خاک چینی بعد از پخت، بسیار مهم است. این رنگ تا حد ممکنه باید سفید باشد. شرینکیج باید تا حد ممکنه کم باشد؛ وگر نه، ترک ها ممکن است بعد از پخت ایجاد شوند. این رس نباید در دماهای کمتر از 1300 درجه ی سانتیگراد پخت شوند زیرا در این دما، به دیل وجود مواد زود ذوبی مانند اکسید تیتانیوم و آهن، محصولات تاول می زنند. در این حالت، تخلخل نیز بیشتر است. اکسید آهن موجب می شود تا محصولات رنگی شوند. اکسید تیتانیوم، همچنین دارای نقطه ی ذوب بالایی است و موجب می شود تا دمای پخت افزایش یابد. هر دو ماده ی گفته شده، مواد نامناسبی هستند.

مواد قلیایی زیان آور می باشند. مثلا سدیم و پتاسیم وقتی با سیلیس ترکیب می شوند، موجب می شود تا ترکیبات کربناتی تشکیل شود. این ترکیبات در آب محلول می باشند. حضور این محصولات سیلیکاتی در محصولات سرامیکی، مناسب نیست. علاوه بر این، مواد قلیایی دارای خاصیت فلاکس هستند. این مواد به همراه کرنبات سدیم و فلدسپار، وارد ماده ی اولیه می شوند. بنابراین، حضور این مواد در خاک چینی، ممکن است مورد افزایش مشکل در زمینه ی مدیریت شیمی مخلوط می شود.

اکسید منیزیم ماده ای است که به طور طبیعی دیرگداز است. علاوه بر این، این ماده به نم حساس است و تقریبا به میزان 120 % حجمی خود، آب جذب می کند.

وجود ریگ و شن، بسیار آسیب زننده است اما وجود ریگ و شن فراوان همچنین موجب می شود تا تخلخل های محصولات افزایش یابد و بدین صورت، هزینه های آسیاب کردن نیز افزایش می یابد. کوارتز و یا سیلیس آزاد موجب می شود تا در حین تغییر دما، تغییر در پلیمرف های مختلف ایجاد شود. در واقع با افزایش دما، سیلیس در دمای 574 درجه ی سانتیگراد، به بتا کوارتز، در دمای 870 درجه، تریدیمیت و در دمای 1400 درجه، به کریستوبالیت تبدیل می شود. اگر چه، شکل نهایی یعنی کریستوبالیت از لحاظ گرمایی پایدار است، این ماده اغلب در زیر دمای پخت، تشکیل نمی شود. هر یک از اشکال دیگر تمایل دارند تا به اشکال دما پایین تبدیل شوند و هر تغییربا تغییر حجمی، همراه است. این تغییر حجمی، در زمان تبدیل به اشکال دما بالا، انبساطی و در حالت عکس، انقباضی است. در طی این تغییرات فازی، ترک هایی بر روی بدنه، تشکیل می شود. سیلیس در شکل سیلیکات، یک جزء اصلی تمام رس هاست و مضر نیز نیست.

آلومینا که همچنین از جمله اجزای اصلی مربوط به مواد معدنی رسی است، مزیت هایی ایجاد می کند. خاک چینی شامل یک تعداد از مواد معدنی رسی است و از این رو، درصد آلومینا در این ماده در یک نوع از خاک چینی، نسبت به نوع دیگر، تغییر می کند. علاوه بر این، این رس، حاوی فلدسپار نیز هست. به همین ترتیب، آلومینا دارای نقطه ی ذوب بالایی است اما به دلیل وجود عوامل گداز آور، این ماده پیش از دمای پخت، یعنی در دمایی در حدود 1300 درجه، ذوب می شود. در این حالت، سیال هایی ببا ویسکوزیته ی بالا ایجاد می شود و موجب تسهیل پیوند در محصولات بدون تخلخل می شود.میزان آلومینا از طریق اضافه کردن فلدسپار به مخلوط، افزایش می یابد.

آهک (CaO) یک ماده ی نمگیر است و بنابراین، اگر در رس وجود داشته باشد، محصول نهایی در گذر زمان، آب جذب می کند و در نهایت، فرو می ریزد. همچنین در دمای 1100 درجه ی سانتیگراد، این ماده با آلومینا و سیلیس واکنش می دهد و ترکیبات جدیدی ایجاد می کند. این ترکیبات عمدتاً از نوع سیلیکات می باشند. برخی از این سیلیکات ها، موجب پایین آمدن دمای ذوب رس می شوند. همچنین اگر آهک نیز در این رس ها وجود داشته باشد (به شکل کربنات یا سولفات کلسیم)، بنابراین، دی اکسید کربن و تری اکسید گوگرد نیز در هنگام حرارت دهی، متصاعد می شود. در این حالت، میزان تخلخل بدنه افزایش می یابد. در نهایت آهک موجب می شود تا سیال جریان بیشتری داشته باشد و از این رو، گستره ی دمایی میان دمای نرم شدگی و ذوب، کاهش می یابد. برخی اوقات، این سخت است که دمای کوره را کنترل نمود و از این ور، به سختی می توان دما را در داخل این گستره ی دمایی حفظ نمود. به دلایل ذکر شده، آهک در خاک چینی، ماده ای نامناسب است.

در میان مواد معدنی رسی، مونت موری لونیت، بدترین ماده ای است که امکان دارد در داخل خاک چینی باشد. مونت موری لونیت، دارای جذب آب بالایی است و توان تورم بالایی دارد. این مسئله موجب می شود تا زمان عبور از فیلتر در زمان آماده سازی قالب، بیشتر شود. حتی 1 % از این ماده ی معدنی قابل قبول نمی باشد.

داره ی استاندارد هند (BIS) در سال 1993، سه گرید با نام های گرید I، گرید II و III را بر اساس کیفیت محصول تولید شده، در نظر گرفت. پارامترهای اساسی مربوط به خاک چینی مورد استفاده در تولید سرامیک های غیر دیرگداز، عبارتست از: 60 تا 70 % از ذرات باید اندازه ای کمتر از 2 میکرون داشته باشند. بقیه ی ذرات نیز نباید از 44 میکرون درشت تر باشند. میزان مواد فرار این خاک (LOI) بین 10.5 تا 13.0 % باشند. میزان آلومینا در این ماده باید بین 32-37 % باشد. میزان اکسید آهن بین 1.8 تا 0.5 %، میزان اکسید تیتانیم بین 1.0 تا 0.7 %، میزان شرینکیج خشک در دمای 110 درجه ی سانتیگراد، بین 6-8 % و شریکج پخت در دمای 1350 درجه، بین 18-16 % باشد. عدد آتنبرگ مربوط به پلاستیسیته برای این ماده باید بین 10-14 باشد. از بین پارامترهای بالا، پارامتر پلاستیسیته از همه مهم تر است. در واقع عدد آتنبرگ می تواند با افزودن برخی مواد اصلاح کننده، بهبود یابد.

دیرگداز

مواد دیرگداز، به عنوان مواد تعریف می شوند که در برابر حرارت مقاومت دارند و دارای نقطه ی ذوبی بالاتر از 1580 درجه ی سانتیگراد می باشند. عملکرد آستر دیرگداز در دیواره ی کوره، نه تنها مقاومت در برابر دماهای بالاست، بلکه در واقع مقاومت در برابر نوسانات حرارتی نیز می باشد. این استر علاوه بر این ویژگی ها، باید در برابر نفوذ، سایش و ایروژن گازهای گرم و مواد مذاب، مقاوم باشند. یکی دیگر از ویژگی های این آسترها، عدم واکنش شیمیایی با مواد موجود در کوره می باشد.

خاک چینی، دارای محدودیت استفاده در صنایع دیرگداز می باشد. علت این مسئله، این است که محصولات دیرگداز، برای استفاده در تحت شرایط شوک حرارتی و شرایط گفته شده در بالا، مناسب نیستند. عمده ترین کاربرد خاک چینی در صنعت دیرگداز در تولید آجرهای عایق است. این ماده در تولید این آجرها، به صورت ترکیب با تالک، استفاده می شوند. در این کاربرد نیز باید از خاک چینی با دمای ذوب بالا استفاده کرد. طبیعت نم گیری اکسید منیزیم موجب شده است تا از این ماده استفاده نشود زیرا محصول تولیدی با این روش، همواره در معرض دما و رطوبت می باشد. سیلیس (سیلیس آزاد به صورت کوارتز) موجب افزایش میزان دیرگدازی رس می شود. علت این مسئله، تغییر در ساختار کریستالی و تشکیل کریستوبالیت می باشد. کریستوبالیت یک فاز پایدار از سیلیس است. در این حالت، تغییر شکل در آجر رخ نمی دهد. بنابراین، میزان سیلیس آزاد در این رس ها، یک مورد حیاتی می باشد.

اکسید آهن در دماهای نسبتاً پایین ذوب می شود و اگر علاوه بر این اکسید، اکسید تیتانیوم نیز وجود داشته باشد، در دماهای بالا، شیشه ی تیتانات آهن با نقطه ی ذوب پایین تشکیل می شود و موجب بروز بلیستر در آجرهای دیرگداز می شود. در این حالت، میزان تخلخل افزایش می یابد. برخی صنایع ترجیح می دهد تا از خاک چینی با درصد اکسید آهن زیر 1 % استفاده کنند. مواد قلیایی و آهک نیز موجب کاهش دمای ذوب می شود و از این رو، مواد نامطلوبی محسوب می شوند.

اندازه ی ذره هیچ پیامد حیاتی ندارد و ذرات درشت تر می توانند در این کاربرد، استفاده شوند. در هنگام ذوب شدن، این مواد در هم نفوذ می کنند و تشکیل توده های متراکم می دهند. وقتی ضریب انبساط حرارتی باید بین 28-34 باشد، با افزودن برخی مواد اصلاح کننده، می توان این خاصیت را ایجاد کرد.

منبع : راسخون

مطالب مرتبط :

ظروف چینی خوب و مرغوب را چگونه تشخصیص دهیم؟

سرمایه‌ مورد نیاز احداث واحد تولید ظروف چینی چه قدر است ؟

فرآیند تولید ظروف چینی چگونه است ؟

خداحافظی با مواد شوینده با ظروف نانویی ایران