Công Nghệ Sản Xuất Chất Màu Gốm Sứ

Trong đời sống xã hội ngày nay, các sản phẩm gốm sứ mỹ nghệ, gốm sứ dân dụng và gốm sứ công nghiệp không những rất đa dạng, phong phú về chủng loại, mẫu mã và hình dáng mà còn được trang trí, phủ các loại chất mẫu khác nhau với nhiều tiết tấu hoa văn rất đẹp làm cho giá trị thẩm mỹ của chủng loại sản phẩm này được nâng lên rất cao. Nghệ thuật trang trí các sản phẩm gốm sứ bằng các chất mẫu gốm sứ đã và đang được phổ biến rất rộng rãi và ngày càng được hoàn thiện nâng lên một tầm cao mới, đáp ứng thoả mãn cho mọi nhu cầu sử dụng của con người. Phủ các chất mẫu gốm sứ trên bề mặt các sản phẩm gốm sứ bảo đảm cho các hình ảnh trang trí nghệ thuật của chúng có độ bền vĩnh cửu. Khác với các chất màu hữu cơ, các chất mẫu gốm sứ có độ bền rất cao chống lại các tác động của ánh sáng, của nhiệt độ, môi trường và bền mãi với thời gian.

Các chất mẫu gốm sứ là hỗn hợp các picmen khoảng chịu nhiệt và được kết hợp hoặc là với các thủy tinh dễ cháy (đối với các chất mẫu trên men). hoặc là với các phối liệu gốm sứ và các loại men (đối với các chất mẫu dưới men), hoặc là các thủy tinh mẫu có thành phần đặc biệt. Như vậy các picmen là nguồn nguyên liệu cơ bản để chế tạo các chất mẫu gốm sứ. Các picmen gốm sứ thường là các aluminát hoặc các silicát thuộc loại spinel, vilemít, granát, corund, silimanít, trong một số trường hợp là các phốt phát. molipdát, vonphramát và vanađát. Các pichen được đặc trưng bởi khả năng tạo mẫu cao, bền vững vĩnh cửu với các tác động của hóa học, ánh sáng, các loại dầu mỡ và nhiệt độ cao.

Các chất dẫn mẫu trong các picmen là các ôxýt của các nguyên tố B, Al. Bi, Fe, Co, Cd, Mn, Cu. Ni, Cr, Pb, Zn và các loại khác.

Các picmen gốm sứ được thu nhận bằng các cách sau : Nung các muối, các ôxít hoặc các hyđrôxít của các kim loại tương ứng ; hoặc là bằng cách đồng thời lắng đọng các hyđrôxýt của các muối cácbônát và sau đó nung các cặn lắng đọng ; cũng như bằng cách nung nóng chảy các muối và các hỗn hợp.

Để thu nhận được các picnen, các chất hóa học khác nhau có trong thành phần của chúng cần phải được trộn rất cẩn thận. Việc này thường được thực hiện bằng các cách sau đây :

a) Nghiền các chất ban đầu với nước ở trong máy nghiền bị, phương pháp này chỉ sử dụng đối với các chất chống tan trong nước.

b) Nung nóng chảy hai hoặc nhiều muối của kim loại trong nước kết tinh của chúng và sau đó thiêu kết cho tới dạng ôxýt và rửa kỹ lưỡng.

c) Lắng đọng từ dung dịch nước các phối liệu muối kim loại, rửa kỹ lưỡng. sấy cặn lắng đọng và sau đó hòa tan tất cả các muối mẫu, làm mất nước bằng bay hơi và sấy khô.

d) Tẩm ướt bằng dung dịch nước các muối mẫu của ôxýt nhóm, ôxýt
silíc, cao lanh, ôxýt kẽm, v.v…

Thực tế sản xuất các picmen chỉ ra rằng càng trộn kỹ bao nhiêu thì chất lượng các picmen càng tốt bấy nhiêu. Trộn là một trong những công đoạn quan trọng và quyết định nhất.

Công đoạn tiếp theo là nung hỗn hợp thu nhận được. Trong khi nung, đặc trưng của môi trường khí (ôxít hóa hoặc khử) có một ý nghĩa rất quan trọng, bởi vì khi nung thì các hợp chất hóa học khác nhau trong hỗn hợp thường xuyên xảy ra các phản ứng hóa học rất phức tạp mà cho đến nay vẫn chưa được nghiên cứu kỹ. Khi nung các picmen kẽm thì môi trường khí phải nhất thiết là ôxy hóa vì nếu môi trường khác sẽ có thể xảy ra quá trình khử các ôxýt thành kim loại dẫn tới picmen có thể thành phế thải. Ngược lại, khi chuẩn bị các picmen crôm cần phải bảo đảm môi trường khử để có thu nhận được mẫu có tông màu rực rỡ hơn.

Quá trình nung các picmen thường thực hiện ở nhiệt độ cao (900°C – 1400C) trong một thời gian nhất định. Chẳng hạn khi chuẩn bị các picmen côban màu tím thường nung ở nhiệt độ 1300°C – 1320°C vì ở nhiệt độ thấp hơn thì các picmen này sẽ không có một tông mẫu tím đồng nhất. Các picmen mẫu vàng hoặc mẫu vàng tươi thường nung ở nhiệt độ không cao lắm. Nhiệt độ nung có ảnh hưởng rất lớn tới sự hình thành các picmen. Rất nhiều các silicát bền vững chỉ trong một khoảng nhiệt độ nhất định, còn sau đó sẽ thay đổi mẫu hoặc sẽ bị phân hủy. Chỉ có một số rất ít silicát khi làm nguội giữ được màu sắc ban đầu. Ví dụ silicát màu nâu của ôxýt sắt khi nung ở nhiệt độ cao hơn 1200°C sẽ bị phân hủy thành ôxy và silicát của ôxýt sắt hóa trị hai. Còn khi làm nguội chậm lại tạo thành silicát ôxít sắt với mẫu sắc ban đầu. Rất nhiều silicát ở nhiệt độ 900°C – 1000C cho mầu sắc rất sặc sỡ, song ở nhiệt độ cao hơn lại có mẫu rất khác. Chẳng hạn silicát của ôxýt đồng khi nung ở nhiệt độ 1200°C có màu đỏ rất đẹp, còn nếu nung nhiệt độ cao hơn ở 1300°C thì lại cho mẫu vàng nâu. Ở nhiệt độ cao thì các aluminat đồng rất bền vững. Đã xác định được rằng khi có mặt ôxýt nhóm hoặc axít boric thì màu xanh của silicát ôxýt đồng sẽ bị chuyển thành màu xanh lá cây. Thông thường ôxýt nhóm thúc đẩy cho các phản ứng hình thành các silicát tạo mẫu, tăng vận tốc phản ứng và trong nhiều trường hợp tham gia với vai trò chính trong các phản ứng này.

Trên cơ sở các kinh nghiệm sản xuất đã xác nhận được rằng khi nung ở nhiệt độ không cao lắm trong một khoảng thời gian liên tục thì sự ảnh hưởng hoàn toàn khác so với khi nung ở nhiệt độ cao trong một thời gian ngắn. Xuất phát từ đó người ta đã thiết lập các quy trình công nghệ khác nhau để tổng hợp cho loại picmen này hoặc loại picmen khác mà chất lượng của chúng phụ thuộc không những vào nhiệt độ nung mà cả thời gian nung. Chẳng hạn muốn nhận được mẫu sắt đỏ tươi thì khi nung picmen sắt phải thực hiện ở nhiệt độ 800°C, nếu muốn có được mẫu sẫm hơn (đỏ sẫm, tím) thì phải nung ở nhiệt độ cao hơn hoặc với thời gian dài hơn. Chế độ nung các picmen phụ thuộc vào các thành phần của chúng và được xác định bằng con đường thực nghiệm.

Sau khi nung các picmen thu được ở dạng bột hoặc là tăng cứng phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của chúng. Các picmen ở dạng tăng cứng sẽ được nghiền mịn. Các phương tiện sử dụng cho mục đích này rất đa dạng và phụ thuộc vào bản chất vật lý các sản phẩm thu được sau nung. Để chuẩn bị các mẫu trên men thì các chất ban đầu có trong thành phần của chúng được trộn và nghiền mịn trong máy nghiền bị. Việc định lượng được thực hiện theo tỷ lệ 1 : 1 : 1, nghĩa là một phần bột mịn chất mẩu với một phần nước và một phần bị nghiền. Thời gian nghiền chất mầu dao động trong khoảng 168 – 192 giờ, kết thúc thời gian nghiền được xác định bằng phần còn lại trên sàng 10.000 lỗ/cmỏ là không được vượt quá 0,2%. Sau khi nghiên, chất mẫu được rửa với mục đích giảm tối thiểu các muối tan có trong đó và sau đó sấy khô và sàng để loại các hạt thô. Sau khi sấy và loại bỏ các hạt thô chúng là thu được chất mẫu cần thiết.

Các chất mẫu gốm sứ phải thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau đây :

• Phải bền vững với tác động của nhiệt độ cao trong quá trình đưa mẫu lên sản phẩm gốm.

• Không bị tác động hòa tan các chất nóng chảy, các loại men và chất chảy.

• Dễ dàng phủ trang trí lên sản phẩm.

* Có tính kinh tế.

Để có thể đồng thời tuân thủ toàn bộ các yêu cầu nêu trên là rất khó. Yêu cầu khó nhất là làm sao phải thu nhận được tổng mẫu cần thiết. Thông thường mỗi một tông màu chỉ có thể thu nhận được khi phối hợp một số lượng thành phần rất hạn chế. Một số hệ nguyên tố hóa học cơ bản sử dụng để thu nhận chất mẫu gốm sứ hiện nay được giới thiệu ở bảng 1.

Sử dụng bất kỳ hệ nguyên tố hóa học cơ bản nào trong số các hệ đã nêu ra có thể thiết lập được một dãy tông mẫu khác nhau khi thay đổi tỷ lệ các chất đưa vào trong thành phần của chúng. Các tông mầu khác nhau có thể tạo thành bằng con đường khác nhờ việc khác nhau khi lựa chọn các nguyên liệu sử dụng (các ôxýt, các muối cácbônát v.v…), hoặc bằng các phương pháp chuẩn bị các hỗn hợp ôxýt kim loại, hoặc nhiệt độ nung kết thúc quá trình hoặc đặc trưng của ngọn lửa hoặc mức độ sạch cũng như độ mịn nguyên liệu ban đầu.

Trong các chất mẫu gốm sứ sử dụng, ngoài các picmen còn có các chất trợ dung và một số chất khác được đưa thêm vào thành phần các chất mầu nhằm tăng độ bền và cường độ của chúng.

Theo đặc tính sử dụng các chất mẫu gốm sứ được chia thành hai loại: chất mẫu lên men (dễ chảy hoặc được gọi là chất mầu nhẹ lửa) và chất mẫu dưới men (khó chảy hoặc là chất mẫu nặng lửa).

Các chất mẫu trên men sử dụng để trang trí cho các sản phẩm gốm xốp và sứ. Chúng được phủ một lớp mỏng lên trên bề mặt sản phẩm đã phủ men nung sơ bộ. Chúng tạo ra trên bề mặt một lớp phim mỏng, gắn chặt với bể mặt xương gốm sứ khi nung trong lò nung ở nhiệt độ 720’C – 850°C. Các chất mẫu trên men sau khi phủ chúng trên men của xương gốm sứ và nung thường có độ bóng rất đẹp và tông mẫu rất sáng, nhưng về mặt hóa học và cơ học thì chúng kém bền hơn so với các chất mẫu dưới men. Chủng loại các chất mẫu trên men rất phong phú.

Các chất mẫu dưới men thường được phủ trực tiếp lên các sản phẩm đã nung sơ bộ hoặc đã sấy khô, sau đó các sản phẩm này được phủ men và chúng được nung cùng nhau. Nhờ có một lớp men bóng và trong suốt che phủ trên lớp chất mầu nên các chất mầu này bám rất chặt trên bề mặt sản phẩm và có mẫu rất đẹp. Tuy nhiên chủng loại chất màu dưới men rất hạn chế, bởi chỉ có rất ít các ôxít mẫu của kim loại chịu đựng được nhiệt độ cao mà không bị phân hủy. Trong chủng loại các chất mẫu dưới men cho gốm xốp nung ở nhiệt độ 1160°C – 1200°C không có được các tông mầu rực rỡ. Còn chủng loại chất mẫu dưới men cho sử nung tới nhiệt độ 1400°C cho tới nay thì chỉ có một số rất ít chất mầu. Song các chất mầu này với những đặc tính thẩm mỹ và độ bền vững rất cao đã trở nên rất quý giá, vì vậy phát triển mở rộng chủng loại gam chất mẫu dưới men này đang là một nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực tổng hợp chất mẫu gốm sứ của các nhà khoa học trên thế giới hiện nay.