مقاله تاثير دماي حرارتي دهي بر رنگ ايجاد شده با رنگدانه

دانشگاه آزاد اسلامي – واحد ميبد
تاثير دماي حرارتي دهي بر رنگ ايجاد شده با رنگدانه ي
(zr,v)sio4 لعاب سراميك مات
آزمايشگاه لعاب
استاد : مهندسي قهرماني
دانشجو: آيدا خيامي
شماره داشجويي: 82474467517
بهار 1386
تأثير دماي حرارت دهي بر رنگ ايجاد شده با رنگدانه‌ي (zr,v)sio4 لعاب سراميك مات
خلاصه
تحليل واكنش پذيريهاي فيزيكي بين رنگدانه‌ها، كدرسازها و لعاب‌ها براي درك رفتار نوري لعابهاي سراميك مهم مي‌باشند. ضمناً مهم است كه تمايز قائل شويم كه آيا لعاب مات مي‌شود چون فاز بلوري شده مي‌تواند به ويژگيهاي نوري سيستم كمك مي‌كند يا نه. اندازه و كيفيت بلورهاي ايجاد شده به طور قابل توجهي مي‌تواند رنگ لعاب را تغيير دهد. هدف اين بررسي ارزيابي تأثير دماي حرارت دهي بر پايداري رنگ يك سراميك مات شده توسط رنگدانه‌ي واناديم – زيركن آبي است. تحليل انكساري كمي اشعه‌ي ايكس به منظور ارزيابي كردن انحلال رنگدانه در سه دماي مورد بررسي قرار گرفته و كيفيت بلورهاي زير كن ايجاد شده در محل اصلي خود مي‌باشد. تحقيق گزارش شده اهميت مورد توجه قرار دادن تمام اجزاء در سيستم نوري چند جزئي به عنوان يك لعاب سراميك را اثبات مي‌نمايد.
كلمات كليدي : زنگ، اسپكتروسكوپي؛ روشهاي اشعه‌ي ايكس؛ سراميكهاي سنتي، لعاب‌ها: (zr,v)siot
مقدمه
در صنعت سراميك يك هدف پيش پا افتاده در كاربرد لعاب ارتقا دادن هنر زيبايي شناسي محصول پاياني است، در اين زمينه توزيع اندازه‌ي بافت و ذره هم رنگدانه‌ها و هم بلورها توسط لعاب مات مي‌شود، و تقابل شيميايي و فيزيكي بين رنگدانه‌ها و لعاب‌ها هنگام حرارت ديدن اساسي و مهم است تا فرآيند رنگ آميزي كنترل شود. در واقع، رنگدانه‌ي مشابه مي‌تواند بسته به دماي حرارت دهي و تركيب شيميايي لعاب براي رنگ آميزي، رنگهاي نسبتاً متفاوتي ايجاد نمايد.
كنترل بلوري شدن، و جلوگيري از انحلال رنگدانه‌ها در لعاب‌ها و مواد بين سلولي بافت‌هاي سراميك طي حرارت دهي براي بهتر كردن ويژگيها، ظاهر و قابليت تكثير محصولات مهم است. جوهرهاي چند اكسيده مواد شاخص در لعاب‌هاي حرار دهي سريع مي‌باشند. 4-2- و رنگدانه‌هاي زيركن (zrsiot) متداولترين مواد رنگي مورد استفاده هستند. در مقايسه با اجزاي دسته‌ي ديگر، جوهر معمولاً كمترين دماي ذوب را دارد اما نسبت به رنگدانه‌هاي سراميك خورنده‌ترين مي‌باشد. ابتدا براي لعاب دادن‌ها معمولا sio2 به عنوان شكل دهنده‌ي اصلي شيشه، قلياها (k2o, Na2o)، ZnO, B2O3 يا SrO به عنوان سياله‌ي اصلي، AL2O3, MgO, CaO براي افزايش سختي و دوام لعاب دادن منظور مي‌شدند. ضمناً پوشش‌هاي كدر، كه بيشترين پوشش‌هاي توليد
شده هستند، معمولاً با ZrO2 در هم مي‌آميزند. كدري و سفيدي از طريق بلوري شدن زيركن بدست مي‌آيند. ريز ناهمگن‌هاي حاصل (اندازه) به طور قابل توجهي ضريب شكستشان (40/2 – 05/2) از ضريب شكست بافت‌هاي شيشه‌اي (70/1 – 50/1) بزرگتر است و در نتيجه نور را به طور موثري پخش مي‌كنند در حقيقت محاسبات انتشار Mie تعيين مي‌كند كه حداكثر انتشار نور و سفيدي با زيركن همراه انواع اندازه‌هاي ذره و شكستگي وسيع 16/0 روي مي‌دهد.
رنگدانه‌هاي تخدير شده‌ي زيركن پايدارترين مواد رنگي تا Cْ1200 هستند. ساختار چهار گوشه‌اي زير كن قابليت در خود جاي دادن واناديم و پراسدم به طور جانشين سازي و هماتيت اينگلوبات را دارد. و پايداري گرمايي و شيميايي بالاي آن، آنرا مناسب استفاده در لعاب دادن سراميك مي‌كند. سيستم سه محوري زير كن معمولاً براي رنگ آميزي لعاب‌هاي صنعتي به كار مي‌رود. بدست آوردن طيف وسيعي از رنگها بر اساس مخلوط كردن زير كن – واناديم آبي (Zr-v)، زير كن – آهن قرمز، و زير كن – پراسديم زرد مي‌باشد. رنگدانه‌هاي زيركن معمولاً در طيف %0/5 – 1/0 با وزن به گروه‌هاي لعاب افزوده مي‌شود، و انحلال پذيري آنها هنگام حرارت دهي با تركيب جوهر تغيير مي‌كند.
هنگام بررسي رفتار نوري رنگدانه‌ها و كدر سازها در يك لعاب، درك كنش متقابل فيزيكي بين رنگدانه‌ها، كدر سازها، و لعاب مهم مي‌باشد. احتمالهاي زير هنگام استفاده از رنگدانه‌هاي زيركن در يك لعاب وجود دارد: كريستالهاي زيركن مي‌تواند پايدار باشد و طي حرارت دهي تحت تأثير لعاب نباشد، ذرات زيركن هنگام حرارت دهي تا حدي در لعاب حل مي‌شوند و بخش حل نشده يا در محلول باقي مي‌ماند يا مجدداً رسوب مي‌كند، يا ذرات زير كن مي‌توانند به طور كامل حل شوند.
ويژگيهاي نوري يك شي بستگي به توزيع انرژي در هر طول موج (ضريب انعكاسي) دارد يعني تابعي از نور جذب شده و منتشر شده است. اين بدان معناست كه براي هر فركانس قابل ديدن تمام اجزاي لعاب (رنگدانه‌ها،كدر سازها و بلورها ايجاد شده از جوهر) هم ضريب جذب و هم ضريب انتشار دارند، هر يك به ويژگيهاي مطلوب لعاب كمك مي‌كنند. به اين دليل مورد توجه قرار دادن تمام اجزاي يك سيستم نوري چند جزئي اهميت دارد. معمولاً تاكيد اصلي بر رنگدانه‌ها است، حتي اگر معين كردن يك رنگ، اجزاء نوري ديگر سيستم (كدر سازها و فاز بلورين ايجاد شده توسط جوهر در هنگام حرارت دهي با ضريب شكست بزرگتر از فاز شيشه‌اي ) به يك اندازه مهم هستند.
هدف از اين كار ارزيابي تأثير دماي حرارت دهي (1150، 1175 و cْ1200) بر رنگ ايجاد شده توسط رنگدانه‌ي واناديم – زيركن در يك لعاب سراميك كدر بود كه تمام اجزاي نوري سيستم را به حساب مي‌آورد.
فرآيند آزمايشي
لعاب‌هاي رنگ آميزي شده با تركيب wt%92 جوهر، wt%8 خاك سراميك (كائولن) و افزودن wt%5 از رنگدانه‌ي زيركن – واناديم آبي (Ferro) آماده شدند. پودرها به مدت 20 دقيقه در آسياب توپي با آب مخلوط شدند (wt%50 آب)، جوهر و رنگدانه‌هاي زيركن – واناديم استفاده شده كاملاً مشخص مي‌شوند. جوهر استفاده شده يك جوهر سفيد بود كه طي حرارت دهي همانگونه كه در شكل1 نشان داده شد بلورهاي زيركن رامات مي‌كند. تركيب شيميايي آن در جدول 1 گزارش مي‌شود. ريزنگاري ذرات رنگدانه در شكل 2 نشان داده مي‌شود. همانطور كه در شكل 3 نشان داده شده رنگدانه زيركن – واناديم آبي توزيع اندازه‌ي ذره‌ي تك و جهي با اندازه‌ي ذره‌ي متوسط را ارائه مي‌دهد. نمونه‌هاي بلوري شده‌ي لعاب (mm 25 قطر و mm6 ضخامت) از طريق فشار دادن پودر (wt% 6 از آب) با يك فشار آزمايشگاهي آماده شدند. نمونه‌ها در يك كوره‌ي نيمه صنعتي در دماهاي Cْ1150، و 1175و Cْ1200 با يك چرخه كلي حرارت دهي 35
دقيقه حرارت داده شدند. چرخه‌هاي گرمايي استفاده شده در شكل 4 گزارش مي شوند. براي ارزيابي پايداري گرمايي و شيميايي رنگدانه در لعاب تحليل گرمايي لعابِ حاوي از رنگدانه زيركن – واناديم آبي انجام شده جهت تعيين پايداري گرمايي و شيميايي رنگدانه ي زيركن- و اناديم آبي در لعاب استفاده شده و براي تعيين ميزان زيركن مات شده، يك آناليز كمّيِ انكسار اشعه ي x لعابهاي پودر زده شده ي حرارت ديده در حرارت هاي مورد بررسي با روش مركبِ Ritveld – R.I.R (ميزان شدت نور مبنا) انجام شد. wt% 10 از كوراندم ( NISTSRm674 a باز پخته در دماي به مدت 1 روز براي افزايش بلورينگي به 100 wt%) به عنوان استاندارد داخلي به تمام نمونه ها افزوده شد. مخلوط، در يك هاون آگات كار گذاشته شد، در يك نگهدارنده ي صاف آلومينيومي پر شد تا مشكلات جهت گيري ترجيح داده شده به حداقل برسد. داده ها در طيف گزارش مي شوند (اندازه ي مرحله و هر مرحله 6s زمان را حساب مي كند.) كسرهاي فاز استخراج شده توسط پالايش Rietveld – R.I.R ، با استفاه از نرم افزارِ GSAS بر مبناي وزن دقيق كوراندم افزوده شده به مخلوط به عنوان يك استاندارد داخلي مجدداً وزن مي شود، و بنابراين به طور ناخودآگاه دوباره به حالت عادي بر مي گردد. زمينه با موفقيت با يك تابع چبيشف پر مي شود. نمودارهاي اوج با استفاده از
يك تابع شبه ويت (Voigt) همراه با ضرايب گاوسي و لورنتزي ساخته شدند. ثابت هاي مشبكه، كسرهاي فاز و ضرايب مربوط به جايگزيني نمونه و بي تقارني نيز بهتر مي شود.
شكل شناسي نمونه توسط يك ميكروسكوپ اسكن كننده ي الكترونِ فيليپس ارزيابي شد و توزيع اندازه ي بافت و ذره و شكل بلورهاي ايجاد شده در محلِ اصلي خود توسط يك نرم افزار تحليل تصوير از تصاوير SEM معين شد
3- نتايج و بحث
شكل 1، شكل شناسيِ بلورهاي زيركن ايجاد شده در در لعاب را نشان مي دهد. بلورهاي كروي و سوزني شكل با طول حدود معرفي مي شوند. منحنيِ DTA لعاب با 5wt% رنگدانه‌ي زيركن – واناديم آبي (شكل 5) ايجاد فازهاي بلورين از واكنش پذيري لعاب با رنگدانه را نشان نمي دهد. منحني فقط اكسيژن زداييِ خاك چيني، مات كردن زيركن از جوهر استفاده شده و درهم آميزيِ لعاب را نشان مي‌دهد. شكل 6 منحني هاي ضريب انعكاسيِ لعابهاي رنگ آميزي شده‌ي حرارت ديده در سه دماي مورد بررسي قرار گرفته را نشان مي دهد. ضريب انعكاس لعاب حرارت ديده در ضعيفتر از بقيه است، نشاندهنده ي تجزيه نور جزئي است و بنابراين لعاب آبي رنگ
شده تيره تر يا كمتر درخشان است، همانگونه كه با عوامل L ، a ، b در جدول 2 گزارش شد. هيچ تفاوت قابل توجهي در منحني هاي ضريب انعكاسي نمونه هاي حرارت ديده در دماي 1175 و مشاهده نمي شود. تحليل كمي انكسار اشعه ي x براي اندازه گيري كردن رفتار انحلال ذرات رنگدانه و بلورهاي زيركن ايجاد شده در محل اصلي خود انجام شد. جدول 3 نتايج حاصل از روش مركب Rietveld R.I.R (شكل 7) را نشان مي دهد. نتايج نشان مي دهند كه مقدار فاز واناديم – زيركن عملاً در سه دماي مورد بررسي يكسان مي‌باشد. ضمناً، مقدار زيركن بلوري شده در لعاب حرارت ديده در در مقايسه با دماهاي ديگر بيشتر است. مقادير عامل مشبكله به وضوح نشان مي دهند كه واناديم طبق تفاوت در شعاع هاي يوني و (به ترتيب 72/0 و 87/.) موجب فشردگي سلول اوليه ي مي شود. در مقابل عوامل سلولي با توجه به مقادير گزارش شده در آثار نوشته شده درباره‌ي زيركن خالص تغيير نمي كنند.
با اين حال، تحليل انكسار كمي رفتار انعكاسي لعابها را تشريح نمي‌كند. خصوصاً لعاب حرارت ديده در كه با مقدار بالاتر زيركن ايجاد شده در محل اصلي خود مشخص مي شود با منحني انعكاس بزرگتري داشته باشد. اين اختلاف ظاهري با بررسي اندازه و شكل ذرات زيركن از ريزنگارهاي SEM مي تواند تشريح شود و نيز با
نرم افزار تحليل تصوير كه بلورها را طبقه بندي مي كند (طبق شكل 9). اندازه ي توزيع بلورهاي زيركن بدست آمده با تحليل نرم افزاري در جدول 4 گزارش شده است. در حاليكه در جدول 5 توزيع نسبت ابعاد (نسبت بين محورهاي كوچكتر و بزرگتر بيضي هم رديف شي) گزارش مي‌شود.
با وجود اينكه لعاب حرارت دهي شده در دماي مقدار بيشتري از زيركن دارند . جدواول 4 و 5 نشان مي دهند كه لعابهاي حرارت ديده در و مقدار بيشتري از بلورهاي با اندازه‌ي ذرات 60/0 تا دارند. با اين وجود اين ذرات به علت واكنش پذيري بيشتر با فاز شيشه اي كمك كننده به مقادير بزرگتر ضريب انعكاس شكل كروي دارند.
نتايج
نتايج حاصل اثبات مي كنند كه رنگدانه ي زيركن – واناديم به لحاظ گرمايي و شيميايي در لعاب مات شده در دماهاي حرارت دهي مورد بررسي پايدار مي باشد. به طور خاص تحليل انكسار كمي اشعه ي ايكس انجام شده توسط روش تركيبي Rietveld-R.I.R نشان مي دهد كه لعاب ها با مقدار مشابهي از (تقريباً ) رنگدانه ي حل نشده مشخص مي شوند و بنابراين تغييرات در رنگ مربوط به عدم پايداري در رنگدانه ي استفاه شده نمي باشد. اين تغييرات با تفاوت در اندازه ي
ذره و شكل شناسي بلورهاي زيركن پديد مي آيند بلورهاي ايجاد شده طي حرارت دهي از جوهر استفاده شده كه به طور قابل توجهي به انتشار نور كمك مي كنند. اين نتيجه اهميت فوق العاده‌ي توجه به ويژگيهاي تمام اجزاي يك سيستم نوري چند جزئي را نشان مي دهد، خصوصاً هنگاميكه پديده‌‌ي مات كردن طي حرارت دهي لعاب ها مطرح مي شود.
شكل 1- ريزنگار SEM بلورها زيركن ايجاد شده در لعاب در دماي Cْ1175
شكل 2 ريزنگار SEM رنگدانه‌ي زيركن آبي – واناديم استفاده شده در اين تحقيق
شكل 3- توزيع اندازه‌ي ذره‌ي رنگدانه‌ي زير كن آبي – واناديم استفاده شده
شكل 4- چرخه‌هاي حرارت دهي به كار رفته براي لعاب‌ها

شكل 5- منحني DTA لعاب با %wt5 از رنگدانه‌ي زيركن آبي – واناديم .

شكل 6 – منحني مشاهده شده، محاسبه شده و متفاوت از بهتر شدن از طريق Rietveld لعاب حرارت ديده در cْ1200 . علامتها نشان دهنده‌ي فاز انعكاس مربوط به زيركن، كراندوم و زيركن است (به ترتيب از پايين به بالا)

شكل 7 منحني‌هاي ضرايب انعكاسي لعابهاي حرارت داده شده در دماهاي بررسي شده
شكل 8 ريزنگارهاي SEM لعابهاي حرارت داده شده در Cْ1150 (A)، Cْ1175 (B) وCْ1200 (C)
شكل 9. طبقه بندي (بدست آمده از طريق نرم افزار تحليل تصوير) بلورهاي زيركن ايجاد شده در محل اصلي خود از لعابهاي حرارت ديده شده در و
و و طيفهاي (D) EDS از اجزاي رنگدانه
جدول 1 تركيب شيميايي جوهر كدر
جدول 2 عوامل L ، a ، b لعاب هاي رنگ زده شده‌ي حرارت ديده در دماهاي مختلف

فایل : 17 صفحه

فرمت : Word