Download - 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?)