chapter 1.1 glaze basics

บทน ำเรองเคลอบ(Introduction to Glazes)

ดร.ออนลม กมลอนทร

(Dr. Onlamee Kamon-in)

โปรแกรมวชำเทคโนโลยเซรำมกส คณะเทคโนโลยอตสำหกรรม

มหำวทยำลยรำชภฏนครรำชสมำ

outline

• เคลอบเบองตน (Glazes Basics)• รปสำมเหลยมของเคลอบ (Glazes Triangle)

เคลอบเบองตน(Glaze Basics)

เคลอบเซรำมกส คออะไร

เคลอบ คอ ชนแกวบำงๆ ทผำนกำรหลอมแลวหอหมผวของชนดน

• ลกษณะโดยทวไปของเคลอบ คอ การเกดชนแกวบางๆ ทหอหมผวของชนดนเมอผานกระบวนการเผาใหความรอน

• วตถประสงคของการเคลอบ มดงนเพอตกแตงใหเกด สสน (colour) ลายลาย (texture) และการทบแสง (opacity) และอนๆเพอเพมอรรถประโยชนในการใชงาน เชน การท าความสะอาดผวไดงาน การเพมความแขงแรงใหกบเนอดน

แกว คออะไร

แกวสวนใหญจะมกำรขนรปดวยกำรหลอมของวสดทหลอมได เชน ซลกำ

• ส าหรบการผลตแกวจะตองใชการผสมวตถดบทอยในรปของออกไซด

• โดยสวนใหญแกวจะอยในรปของออกไซดทเปนซลกา (SiO2)

จดหลอมของซลกำ คอ อะไร

ซลกำอยำงเดยวจะเกดกำรหลอมตวทอณหภมประมำณ 1,710 องศำเซลเซยส หรอมำกกวำ

• เตาเผาเครองปนดนเผาทวไปจะไมสามารถเผาไดอณภมสงมากพอทจะหลอมซลกา

• ส าหรบการหลอมซลกาทอณหภมต าลงจะตองผสมวตถดบตวอนกบซลกา

จะสำมำรถลดอณหภมในกำรหลอมของซลกำใหต ำลงไดอยำงไร

กำรลดอณหภมในกำรหลอมของซลกำใหต ำลงสำมำรถใชตวชวยหลอมหรอฟลกซ (Fluxes) ในสวนผสมได

• ถาวตถดบอนทเปนฟลกซผสมกบซลกาในสดสวนทถกตองเหมาะสมและอยในขอบเขตทก าหนด จะท าใหจดหลอมของสวนผสมนนต าลงกวาจดหลอมตวของวตถดบเองในสวนผสม

• อยางไรกตาม เมอมซลกาและฟลกซในสวนผสมจะท าใหสวนผสมเกดการหลอมตวไดเรวขน จนกลายเปนของเหลวคลายกบน า และจะแผออกไปทกทศทางตามแนวนอนของพนผว

• ทกๆ ชวงอณหภมในการหลอมของซลกากบฟลกซทมในสวนผสม เราจะพบปญหาเรองอณหภมในการหลอมทไมเทากนส าหรบเตาเผาทมลกษณะแตกตางกนหรอเตาเผาทอยคนละทกน

จะสำมำรถเพมควำมเสถยรใหกบกำรหลอมเคลอบไดอยำงไร

เตมหรอเพมวตถดบ ซงประกอบดวยออกไซดทท ำหนำใหควำมเสถยร (stabilising oxides)เปนตวชวยเพมควำมหนด (viscosity) ใหกบเคลอบ • ถาเตมวตถดบตวท 3 ซงเปนออกไซดในสวนผสม โดยทวไปจะเรยกวาออกไซดนวา “ตวเพมความ

เหนยวใหเปนแกว (glass stiffeners) หรอตวเพมความเสถยร (stabalisers)” มการเตมลงไปในสตรเคลอบเพอชวยขยายชวงของการหลอมของสวนผสมออกไป โดยมนจะคอยๆ หลอมผานจดออนตวซงมลกษณะคลายกบน าเชอมหรออยในสภาวะทมความหนดทสงขน กอนทจะกลบมาเปนลกษณะคลายกบน าและกลายเปนของเหลวในทสด

• ความหนด เปนค าทใชเพออธบายการไหลตวของเคลอบหลอมเหลว ความหนดจะมากขนและการหลอมคลายกบน าเชอมกจะมากขน ซงมนจะมแนวโนมทจะเคลอนตวไดชามากๆ บนพนผวดนทมความชนหรอพนผวดนในแนวตง

สงทเปนองคประกอบส ำคญของเคลอบคออะไร

กำรผสมเคลอบโดยทวไปตำมหลกทำงทฤษฎ เปนดงน

• ตวชวยหลอม (Fluxes) >> ลดชวงอณหภมในกำรหลอมใหกบสวนผสม• ตวชวยใหเกดควำมเสถยร (Stabilisers) >> เพมควำมหนดและขยำยชวงอณหภมในกำรหลอม• ตวท ำใหเกดแกว (Glass Formers) >> สรำงใหเกดรปแบบแกว• วตถดบตวท 4 อำจจะถกเพมเขำมำไดเพอสรำงสใหกบเคลอบ

ตวชวยหลอมFlux (es)

ตวชวยใหเกดควำมเสถยรStabiliser(s)

ตวท ำใหเกดแกวGlass

Former(s)

วตถดบทใชในกำรท ำเคลอบคออะไร

เคลอบจะท ำโดยกำรผสมกนของวตถดบทมอยในธรรมชำตหรอมจ ำหนำยในเชงพำณชย

• สตรเคลอบ คอ รายการของวตถดบซงไดเลอกใชทงกลม fluxes, stabilisers และ glass formers ซงจ าเปนตองใชในการเคลอบ

• วตถดบทมโครงสรางทางเคมทงายหรอซบซอนของธาต ซงเมอใหความรอนดวยการเผา แลวอยในรปทปลดปลอยออกไซด และรวมกบออกไซดตวอนได แลวเกดเปนแกวหรอเคลอบ

ออกไซด (oxide) คออะไร

ออกไซด คอ กำรรวมกนทำงเคมของอะตอมออกซเจนกบธำตโลหะหรออโลหะ

Silicon + Oxygen = silicon oxide (silica)

Si + O2 = SiO2

metallic element 2 oxygen atoms silicon and oxygen combineto form the oxide

chemical symbol for a silicon atom

chemical symbol for oxygen chemical formula for silica molecule

สำรเคมทอยในกลมวตถดบของกำรเผำเคลอบกำรเผำเคลอบ (แกว) ประกอบโครงสรำงทซบซอน (เมทรกซ) ของจ ำนวนออกไซด

• ออกไซดแตละประเภทในเคลอบสามารถแบงตามหนาทในการหลอม เชน ตวชวยหลอม (Flux)ตวชวยใหเกดความเสถยร (Stabiliser) หรอตวท าใหเกดแกว (Glass Former)

• ออกไซดทพบโดยทวไปในเคลอบFlux

K2ONa2OLi2OCaOMgOBaOZnOPbOSrO

potassium oxidesodium oxidelithium oxidecalcium oxide

magnesium oxidebarium oxide

zinc oxidelead oxide

strontium oxide

Stabiliser

Al2O3 aluminium oxide

Glass Former

SiO2 Silicon oxide

สญลกษณตำงๆ ทใชในกำรแบงออกไซดของเคลอบ

สญลกษณตำงๆ โดยทวไปทใชในกำรแสดงกำรแบงออกไซดในเคลอบ

ตวชวยหลอม (Flux)สญลกษณ (RO or R2O)

การรวมกนของออกซเจนอะตอม 1 ตว กบโลหะอะตอม 1 หรอ 2 ตว

กลมดำง (Base)ออกไซดทอยในรปแบบของ RO หรอ

R2O ซงเรยกวาวตถดบกลมดาง

ตวท ำใหเกดควำมเสถยร (Stabilizer)สญลกษณ (R2O3)

การรวมกนของออกซเจนอะตอม 3 ตว กบโลหะอะตอม 2 ตว

กลมกลำง (Amphoterics)ออกไซดทอยในรปแบบของ R2O3 ซงเรยกวา

วตถดบกลมกลาง

ตวท ำใหเกดแกว (Glass Former)สญลกษณ (RO2)

การรวมกนของออกซเจนอะตอม 2 ตว กบโลหะอะตอม 1 ตว

กลมกรด (Acids)ออกไซดทอยในรปแบบของ RO2 ซง

เรยกวาวตถดบกลมกรด

วตถดบทใหออกไซดเฉพำะในเคลอบกำรท ำเหมองแรหรอกำรสงเครำะหวตถดบเพอใหไดออกไซดทจ ำเปนในเคลอบ 1 ตวหรอมำกกวำ

• วตถดบบางตวทรวมกบออกไซดซงใชส าหรบการหลอมเคลอบRaw Material Flux

BaseRO or R2O

StabiliserAmphoteric

R2O3

Glass FormerAcidRO2

หนปน (Whiting; calcium carbonate)ดนขาว (clays)แมกนเซยมคารบอเนต (magnesium carbonate)เฟลดสปาร (feldspars)โดโลไมท (dolomite)แบเรยมคารบอเนต (barium carbonate)วอลลาสโทไนต (wollastonite)ทล (talc)

CaO---------MgO

K2O,Na2O,CaO etcMgO, CaO

BaOCaOMgO

---------Al2O3

---------Al2O3

------------------------------------

---------SiO2

---------SiO2

------------------SiO2

SiO2

ผลของควำมรอนทมตอวตถดบวตถดบจ ำนวนมำกทตองใชควำมรอนในระหวำงกระบวนกำรเผำเพอแยกออกไซด

• ตวอยางเชน หนปน (CaCO3) จะตองใชความรอนทอณหภม 825 องศาเซลเซยส ในการแยกใหเปนออกไซด 2 ตว และจะเกดการปลดปลอยฟองแกสคารบอนไดออกไซด (CO2) จากแคลเซยมไดออกไซด ซงเปนตวชวยหลอมแกว และชวยใหอณหภมในการหลอมตวลดลง

• เมอผสมหนปนกบออกไซดตวอนจะท าใหอณหภมในการหลอมของสวนผสมลดลงต ากวาอณหภม 825 องศาเซลเซยส

• อณหภมการหลอมของกลมออกไซดทเกดรวมกน จะเรยกวา อณหภมยเทคตก (eutectic temperature)

whiting(calciumcarbonate)

heated to825 deg.C

>>>calcium

oxide+

carbondioxide

CaCO3 >>>>>>>>>> CaO CO2

Flux oxideremains in the glaze.

Bubbles out of theglaze as a gas.

ฟรต (Frit) คออะไรฟรต เปนผงของแกวทน ำไปท ำเคลอบเปนผลตภณฑทมจ ำหนำยเชงพำณชยประกอบดวยออกไซดเฉพำะทไมสำมำรถใชในรปอนๆ ได • ออกไซดบางชนดทน ามาเปนวตถดบส าหรบท าเคลอบอาจอยในรปทไมสะดวกตอการน าไปใชงาน วตถดบทสามารถละลายได

(ละลายไดงายในน า) หรออาจไมเสถยรในบรรยากาศ หรอมออกไซดทไมตองการเพมมาในเคลอบ ออกไซดทสามารถน ามาใชงานไดสะดวกมกอยในรปทรวมกนโดยผานกระบวนกการทางอตสาหกรรม เราเรยกวา การท าฟรต

• ฟรต คอ การรวมวตถดบ (ทอยในสตรเคลอบ) ซงสามารถหลอมตวอยในรปของแกวทประกอบดวยออกไซดทตองการ และเมอสวนผสมทหลอมเยนตวลงอยางรวดเรวจะไดแกว แลวน าไปบดจนไดผงละเอยดทพรอมจะน าไปผสมกบวตถดบชนดอนๆ ส าหรบกระบวนการเตรยมเคลอบ ฟรตเปนเคลอบส าเรจรปทถกออกแบบมาเพอใหใชงานเฉพาะ โดยสวนใหญการรวมตวของฟรตกบวตถดบชนดอนสามารถสรางเคลอบชนดใหมได โดยเฉพาะการใชประโยชนของฟรตส าหรบเตรยมเคลอบทเผาอณหภมต าโดยในเชงพาณชยไดออกแบบฟรตใหมปรมาณของ Al2O3 และ SiO2 ในปรมาณไมมาก เพอลดอณหภมในการเผา

• ตวอยางวตถดบ เชน แรเฟลดสปาร (feldspars) แรวอลลาสโทไนท (wollastonite) และแรทลค (talc) เปนฟรตทเกดขนเองตามธรรมชาตโดยอาศยความรอนและแรงดนของชนเปลอกโลก

ออกไซดทอำจพบในเคลอบสโตนแวรทวไปสตรเคลอบสโตนแวรทวไปจะประกอบดวยวตถดบตำงๆ เมอเผำจะปลอยแกสของออกไซดเฉพำะบำงตวออกมำ และอยในรปของแกวทก ำลงหลอมทอณหภมจ ำเพำะหนง

ตารางการวเคราะหอยางงายส าหรบออกไซดทไดจากแร สวนจ านวนโมเลกลทอยในเคลอบจะตองใชการค านวณอยางละเอยด

Raw MaterialRecipe

FluxOxides

StabiliserOxides

GlassOxides

FeldsparWhiting

China ClaySiica

40302010

provides >>provides >>provides >>provides >>

K2O, Na2O, CaOCaO------------

Al2O3

------Al2O3

------

SiO2

------SiO2

SiO2

รปสำมเหลยมของเคลอบ (Glaze Triangle)

รปสำมเหลยมของเคลอบ คออะไร

รปสำมเหลยมของเคลอบ คอ แผนภำพตนแบบอยำงงำยทอธบำยควำมสมพนธระหวำงโมเลกลทท ำใหเกดโครงสรำงของแกว • ในระหวางกระบวนการเผาวตถดบจะเกดการสลายตวของโมเลกลทเปน

ออกไซดตางๆ แลวเชอมตอกนเกดเปนโครงสรางของแกว โครงสรางนจะสามารถเชอมตอกนตามรปสามเหลยมซงทมมของแตละมมของสามเหลยมจะแสดงถงองคประกอบหลกเพยงอยางเดยว (flux, stabiliser, glass-former).

• บางครงในการหลอมออกไซดบางตวอาจจะไมหลอมละลายและอาจะถกปลอยออกไปจากโครงสราง

• รปสามเหลยมของแกวอาจจะเปนการพจารณาส าหรบหนงหนวยของแกว

กำรท ำแกวทใส (transparent), แกวโปรงแสง

กำรเลอก flux, stabilisers และ glass-formers ใหเหมำะสมส ำหรบเตรยมเคลอบใส

• ถาเลอกอตราสวนผสมทถกตองของวตถดบหลกทง 3 กลม ของแกวทแสดง (อณหภมการเผาทเหมาะสม) แลวท าใหโมเลกลของ alkalai, amphoteric และ acid รวมตวกนอยในรปโครงสรางของแกวได

• ตวอยาง สามเหลยมของเคลอบใส ตวอยำงตนแบบของเคลอบซงม fluxes (K2O, Na2O, CaO) รวมตวกบ amphoteric oxides (Al2O3) และ acid oxides (SiO2)

จะเกดอะไรขนถำสวนประกอบในกำรหลอมเคลอบไมสมดล

โครงสรำงของแกวจะทบแสง (opaque) และเกดลวดลำย(textured) เนองจำกม flux หรอ stabiliser หรอ glass-former oxides มำกเกนไป

• ในระหวางกระบวนการหลอมโมเลกลของ flux, stabiliser และglass-former oxides จะรวมตวกนกลายเปนโครงสรางของแกว

• ถาเกดมโมเลกลของออกไซดตวใดตวหนงมากเกนไปจะท าใหเกดโมเลกลของออกไซดนนคงเหลอคางอย จงเปนสาเหตใหเกดเคลอบทบแสงและลวดลายขน เพราะวาเกดการตกผลกของเคลอบ (crystalisation)

แผนภำพแสดงกำรหลอมของเคลอบทมปรมำณของ alumina และ silica โมเลกลมำกเกนไป

ผลของกำรมปรมำณ flux oxides ในเคลอบมำกเกนไป

ปรมำณ flux ทมมำกเกนไป เปนสำเหตใหเกดเคลอบไหลตวและมแนวโนมทจะท ำใหเกดลวดลำยขนบนผวเคลอบ • ลวดลายอาจจะมความมนวาวมากๆ เมอแกวมความสมดล และ

อาจจะมผวดานเมอมปรมาณของ flux oxides มากเกนไป และอาจจะในรปทมองเหนไดชดเจน ผวไมเรยบ หรอเกดเปนผลกได

• เคลอบในตวอยางแผนภาพทแสดง อาจจะเกดการไหลตวไดทบางอณหภม และอาจจะเกดเปนหยอมๆ กบบรเวณพนทของเคลอบใสทกระจายไปดวยบรเวณพนทผวทบ หรอเกดการพฒนาเปนผลกขนบรเวณรอบโมเลกล CaO ทเปนอสระ และไมยดกบ Al2O3 และ SiO2ในโครงสรางของแกว

แผนภำพแสดงปรมำณโมเลกลของ calcium oxide (CaO) ทมมำกเกนไปในเคลอบ

ผลของกำรมปรมำณ amphoteric oxides ในเคลอบมำกเกนไป

ปรมำณของ amphoteric ทมำกเกนไป เปนสำเหตท ำใหเคลอบหนด และมแนวโนมทจะทบแสงและท ำใหเกดลวดลำยทผวของเคลอบ• โดยทวไป alumina ในเคลอบมออกไซดซงเรยกวา Al2O3 เปน

ออกไซดทอยในกลม amphoteric และมในเคลอบทกชนด เคลอบทมการเตม Al2O3 มากเกนไปจะท าใหเคลอบมความหนดมากๆ และมความเสถยร บางครงอาจท าใหเกดต าหนรเขม (pinhole defects) alumina ทคงคางในรปของผลกจะท าใหเกดพนผวทแหงหยาบขนกบปรมาณทเกนมา

• alumina ปรมาณมากสามารถยบหยงการหลอมตวของเคลอบได ในระดบหนงอาจเกดเปนเคลอบทบ และมแนวโนมทจะท าใหสซด

แผนภำพแสดงปรมำณโมเลกลของ alumina oxide (Al2O3) ทมมำกเกนไปในเคลอบ

ผลของกำรมปรมำณ RO2 glass-former oxides ในเคลอบมำกเกนไป

ปรมำณโมเลกล acid ทมมำกเกนไปในเคลอบจะท ำใหเคลอบหนด มสขำวมำกๆ ทบแสง และเกดลวดลำยทผวมนวำว• โดยทวไป silica ในเคลอบมออกไซดซงเรยกวา SiO2 เปนออกไซดทอยใน

กลม glass-former (acid) และมในเคลอบทกชนด เคลอบทมการเตม SiO2 จะท าใหเคลอบมความหนดสงและมความเสถยร silica ทคงคางในรปของผลกจะท าใหเกดพนผวทแหงหยาบขนกบปรมาณทเกนมา

• silica ปรมาณมากสามารถยบหยงการหลอมตวของเคลอบได ซงจะไดเคลอบสขาว และลวดลายขรขระคลายกบกระดาษทราย ปรมำณของโมเลกล silica (SiO2) ทมมำกเกนไป

ในเคลอบจะมแนวโนมท ำใหเคลอบขำว หนด และเกดลวดลำย

ผลจำกกำรเพมขนของอณหภมในกำรเผำ

ถำรกษำปรมำณของ flux ในสตรเคลอบใหคงท อณหภมกำรเผำจะสำมำรถหำไดจำกปรมำณของamphoteric (Al2O3) และ acid (SiO2) ทสำมำรถเกดกำรละลำยไดในกำรหลอมเคลอบ• เมอเคลอบถกเผาและมนจะไมหลอมเพยงพอทจะไปอยในรปของแกวทดหากมปรมาณของ amphoteric และ/

หรอ acid oxides มากเกนไป (i.e. Al2O3 และ/หรอ SiO2) จงเปนสาเหตทท าใหเกดความแขง (Stiffness) และความทบ (opacity)

• ในแนวความคดอกทางหนงหากปรมาณของ flux oxides ในเคลอบมไมเพยงพออาจตองใช alumina และsilica

• มนจงเกดค าถามทวา จะท าอยางไรใหไดปรมาณ fluxes ทถกตองเหมาะสม ซงมคณสมบตตรงขามกบ alumina และ silica

ค ำถำม(Question?)