خاک رس (2)

خواص عمومی مربوط به رس ها

اگر چه کاربردهای غیر سرامیکی برخی رس ها، متداول نیست، رس ها، ضرورتاً مواد سرامیکی محسوب می شو ند. در حقیقت، واژه ی سرامیک از واژه ای یونانی مشتق شده است و به معنای رسی است که پخته شده است و یکپارچگی پیدا کرده است. اما در استفاده های مدرن، این ماده شامل برخی از مواد غیر آلی نیز هست که با رس ترکیب شده و تشکیل یک توده ی متراکم و پخته شده را داده است اما هنوز هم رس، یکی از اجزای اصلی این ماده می باشد. برخی آزمایش ها وجود دارد که بوسیله ی آن، بررسی میزان مناسب بودن یک رس برای تولید یک جسم سرامیکی و یا سایر استفاده های صنعتی، انجام می شود. برخی از این آزمون ها، این رس ها را در حالت خام و برخی دیگر، این مواد را در حالت پخته شده، بررسی می کنند. این آزمایش ها عبارتند از:

رس های خام

رنگ رس خام
رنگ های صنعتی، بر اساس پارامترهای LAB، نامگذاری می شوند. این نامگذاری به صورت زیر است:
L: سفید رنگ
A+: قرمز رنگ
A-: سبز رنگ
B+: زرد رنگ
B-: آبی رنگ
این رنگ زمانی مهم می باشد که رس بدون پخته شدن، مصرف می شود. مثلا در تولید کاغذ، رنگ و سایر محصولات. به عبارت دیگر، رنگ عامل تعیین کننده ای برای بیان خلوص یک رس، محسوب نمی شود. برخی از بال کلی های تیره، بعد از پخت، کاملا سفید می شوند.
درخشندگی رس خام: مشابه با رنگ مربوط به رس خام، درخشندگی نیز در زمانی مهم می باشد که رس به صورت خام و بدون پخته شدن، مصرف شو؛ مثلا در تولید کاغذ، رنگ و سایر مواد. درخشندگی به عنوان درصد بازتاب رس در برابر نور آبی با طول موج 457 میکرون، اندازه گیری می شود.
اندازه ی ذرات: مواد گرانولی درشت تر، معمولاً با استفاده از روش الک کاری، تحت تجزیه و تحلیل توزیع ذرات قرار می گیرند. الک خشک معمولاً یک روش متداول مورد استفاده برای ذراتی است که در گستره ی 150 میکرون هستند و الک کاری تر، روشی استاندارد برای ذرات ریزتر از 50 میکرون می باشد. ذرات ریزتر که دارای اثر قابل توجهی بر روی خواص فیزیکی رس محسوب می شوند، به طور نرمال، از طریق روش های ته نشینی، اندازه گیری می شوند.
رفتار دیفلوکلوله شوندگی: این خاصیت به طور خاص مربوط به خاک چینی و بال کلی می باشد. بنابراین از این خاصیت در کاربردهای قالب گیری، استفاده می شود. آزمون مورد استفاده در بررسی میزان پراکندگی ذرات رس در آب دی یونیزه، انجام می شود. همچنین توانایی دی فلوکلوله شدن نیز بوسیله ی افزودن مقادیر اندکی سدیم سیلیکات انجام می شود. در واقع میزان افزایش دیسکوزیته در هر یک از این بخش ها، معرف میزان فلوکوله شدن ذرات می باشد.
پلاستیسیته و حد مایع: این ویژگی قابلیت یک رس برای تغییر شکل بدون بازگشت در زمانی است که تحت تنش های برشی قرار می گیرد. اگر چه مکانیزم دقیق مربوط به پلاستیسیته هنوز به طور کامل فهمیده نشده است، این اعتقاد وجود دارد که ترکیبی از فاکتورهای خاص مانند اندازه ی دانه، اتصال پودر به هم، استحکام کششی، قابلیت توسعه پذیری، جذب، بافت و اجزای مولکولی، مسئول بوجود آمدن پلاستیسیته می شوند. بسته به مقدار آبی که رس در خود نگه می دارد، یک رس می تواند مایع، پلاستیک و یا جامد باشد. حد پلاستیسیته ی آتربرگ، نشان دهنده ی گذار از حالت پلاستیک به حالت جامد می باشد و به صورت میزان آب حفظ شده بوسیله ی یک استوانه ی کوچک از جنس خاک، تعریف می شود. این مورد زمانی اندازه گیری می شود که این استوانه ی در حال چرخیدن، قطرش کاهش یافته و به قطر 3 میلی متر برسد. پلاستیسیته ی یک رس به صورت درصد آب در حد پلاستیسیته و یا چیزی تعریف می شود که عدد آتربرگ نامیده می شود. در واقع عدد آتربر به صورت یک چارت و بوسیله ی تفاوت در میان مقدار آب موجود در یک ماده در زمانی تعریف می شود که ماده، به صورت سیال در می آید. به این نقطه، حد سیالیت یا مایع شدن، گفته می شود. اما عموماً در سطح اولیه ی مربوط به آزمون، پلاستیسیته بوسیله ی دست انسان سنجیده می شود. مقیاس این اندازه گیری، سطح پایین، متوسط و بالاست.
قابلیت نفوذ ناپذیری: این ویژگی در واقع با پلاستیسیته در ارتباط است.
توان تبادل بازی: تبادل بازی، تبادل یون در محلول یک جامد می باشد. در هنگام تماس با یک جامد، این محلول تغییر عکس جامد است. در واقع این خاصیت، ظرفیت تبادل کاتیونی، نامیده می شود که به معنای میزان یون های باردار مثبتی است که در یک ماده ی معدنی رسی می تواند بر روی یک سطح باردار منفی، جابجا شود. این ویژگی بر اساس واحد میلی اکیوالانت بر 100 gm تعریف می شود. مکانیزم درگیر در این حالت، هنوز به طور کامل، شناخته شده نیست. رس های خاصی وجود دارد که دارای قدرت جذب انتخابی هستند. با وجود این خاصیت، آنها قادر اند تا بازها را با سایر زیرلایه ها، تبادل کنند. مونت موری لونیت، دارای ظرفیت بالایی است، کائولینیت دارای ظرفیت اندکی است و ایلیت نیز دارای ظرفیت متوسطی می باشد.
توان جذب: جذب با تخلخل در ارتباط می باشد و میزان این جذب، با میزان آب آزادی که در ساختار ماده جذب می شود، در ارتباط است. حد جذب، یک رس، مربوط به درصد آبی است که آن رس در زمان عدم نفوذ آب در رس، تحمل می کند. این حد با انداختن قطرات متوالی از آب بر روی یک خمیر هموژن، اندازه گیری می شود. در واقع میزان آبی که در آن حد، جذب می شود، نشاندهنده ی آبی است که جذب شده است.
اندیس باد کردن: این اندیس نشاندهنده ی میزان افزایش حجم یک رس، در زمان جذب آب می باشد. اندیس باد کردن، در واقع نسبت وزن آب به وزن حداقل رس برای تولید یک ژل می باشد. این اندیس به طور نسبی با جدب در ارتباط است اما مکانیزم اصلی باد کردن، هنوز به طور کامل، فهمیده نشده است. تئوری های مختلفی در این مورد ارائه شده است. با توجه به یکی از این تئوری ها، باد کردن بوسیله ی نیروی کاپیلاری و یا گرادیان شیمیایی، ایجاد می شود. در مورد رس، این مورد به طور خاص، گرادیان شیمیایی، بیان شده است. گرادیان شیمیایی به دلیل تفاوت مثبت میان غلظت گونه های یونی خاص (مانند سدیم، پتاسیم و ...) در رس، ایجاد می شود. با توجه به یکی دیگر از این تئوری ها، باد کردن با ریزساختار و سازمان دهی فضای متخلل و آب در رس ها، ارتباط دارد. در رس ها، مواد معدنی رسی، به شکل صفحات کوچکی می باشند. این صفحات کوچک به صورت موازی، هستند و میکروتخلخل ها، عامل جداکننده ی آنها می باشند. تخلخل های بین لایه ای را تک لایه های آب پر می کنند. این مسئله موجب می شود که رس تنها زمانی سیالیت پیدا کند که گرادیان های هیدرولیکی بالایی در آن ایجاد شود و در واقع، تغییر شکل به موازات بخش جامد، رخ دهد. به دلیل ویسکوزیته و دانسیته ی بالاتر، این ساختار موجب بروز فشارهای اسمزی می شود.
توان چسبانندگی: در زمانی که یک رس با یک ماد ی دیگر مخلوط شود، به میزان خاصیت پلاستیکی که در مخلوط ایجاد شود، توان چسبانندگی می گویند. این تونا به پلاستیسیته ی رس و اندازه و طبیعت ذرات مواد اضافه شده به رس، وابسته می باشند. البته این عامل به فاکتور باد کردن نیز مرتبط است زیرا یک رس قادر است تا دارد تخلخل هایی شود که در اطراف مواد وجود دارد و از این رو، بر روی مسئله ی باد کردن، اثرگذار است.
استحکام: میزان پلاستیسیته ی بالاتر موجب می شود تا استحکام رس افزایش یابد. این استحکام معمولا به صورت مدول گسستگی، ارزیابی می شود. در وقع میزان نیرویی که می تواند موجب شکسته شدن یک نمونه ی میله ای شکل با طول و مساحت معین شود، را میزان استحکام نمونه می گویند.
سختی: برخی از انواع رس ها، در مقایسه با انواع دیگر، سخت ترند. برای مثال، شیل های رسی و رس های فلینتی، نسبت به نبتونیت و خاک چینی و برخی دیگر، سخت ترند.
مقدار pH: pH منفی لگاریتم غلظت یون هیدروژن و یا میزان فعالیت یون هیدروژن در یک معادل گرام بر واحد لیتر، می باشد. این مقدار برای بیان میزان اسیدیته یا بازی بودن مواد، مورد استفاده قرار می گیرد. مقدار این فاکتور بین 0 تا 14 می باشد. 7 بیان کننده ی pH خنثی می باشد. pH کمتر از 7 نشاندهنده ی خاصیت اسیدی و مقادیر بزرگتر از 7 نشاندهنده ی خاصیت بازی می باشد.
ویسکوزیته: ویسکوزیته خاصیتی از یک مایع است که به صورت مقاومت ذاتی ماده در برابر تغییر شکل در زمان اعمال تنش های برشی، بیان می شود. این ویژگی با استفاده از واحد dynes/〖cm〗^2 یا Pascal (Pa) اندازه گیری می شود. در واقع ویسکوزیته میزان تنش مورد نیازی است که برای فایق آمدن بر مقاومت ماده در برابر سیال شدن، اعمال می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته، پواز نامیده می شود. در واقع یک پواز، 1 gm.cm.sec و یا یک پاسکال ثانیه (Pa.sec) می باشد. اغلب ویسکوزیته به صورت سانتی پواز (cP) بیان می شود. این ویژگی اغلب برای توصیف یک رس در زمان مخلوط شدن آن با آب، مهم می باشد.
ترکیب شیمیایی: داشتن اطلاعات در مورد ترکیب شیمیایی یک رس، راهنمایی مفیدی در زمینه ی نحوه ی رفتار این ماده در طی فرایند سرامیک سازی، به ما ارائه می کند. رس ها به طور نرمال، از لحاظ میزان آلومینیوم، سیلیکون، تیتانیوم، کلسیم، منیزیم، پتاسیم، سدیم و میزان مواد فرار، مورد ارزیابی قرار می گیرند. این مواد مورد بررسی، راهنمایی های زیر ا به ما ارائه می کنند:
آلومینا و سیلیس: فهمیدن میزان این دو اکسید به ما کمک می کند تا بتوانیم بین خاک چینی و بال کلی، تمایز قائل شویم. اگر تعداد قابل توجهی نمونه مورد آنالیز قرار گرفت و فهمیده شد که میزان این دو جزء در نمونه های مختلف، تقریباً ثابت است، این رس، خاک چینی است اما اگر تغییر قابل توجهی در میزان این دو جزء وجود دارد، ماده ی شما، بال کلی است.
اکسید آهن (〖Fe〗_2 O_3) و دی اکسید تیتانیوم: این اکسیدها، اکسیدهای رنگی هستند ( دی اکسید تیتانیوم وقتی تازه باشد، ماده ای سفید رنگ است، در حالی که با گذر زمان، رنگ خود را از دست داده و زرد رنگ می شود). میزان این دو اکسید، معمولاً برای ارزیابی رنگ بدنه بعد از پخت، مفید می باشند.
اکسید کلسیم و منیزیم: این دو جزء در برخی از انواع رس ها، مانند بنتونیت و fuller’s earth مهم می باشند.
اکسید پتاسیم و سدیم: اکسیدهای قلیایی که از فلدسپارها و میکاها مشتق می شوند، بر روی رفتار زجاجی شدن اثرگذار است. علت این مسئله این است که این مواد، به صورت فلاکس، عمل کنند.
درصد مواد فرار: رس ها موادی هستند که در داخل آنها، تعداد متفاوتی مولکول آب وجود دارد. بنابراین میزان مواد فرار عموماً از اتلاف آب در هنگام پخت و در زمان زجاجی شدن مواد، خبر می دهد.
به هر حال، در مورد بنتونیت لیگنیت، میزان مواد فرار بیشتر است زیرا هم آب و هم کربن در ساختار این رس ها، وجود دارد.
برخی اوقات، اجزای افزوده شده مانند نمک های محلول، عناصر کمیاب و کربن نیز برای رس های خاصی، مورد ارزیابی قرار می گیرد.
16) ترکیب مینرالی: هم اکنون روش موجود برای ارزیابی ترکیب مینرالی رس ها، روش های دقیقی نیستند. این مسئله تا حد زیادی به دلیل اثر جهت گیری دان ها و شکل آنها می باشد. این مسئله در واقع موجب می شود تا نتوان تخمین مناسبی بر روی برخی اجزا داشت. اما با این وجود، مواد معدنی رسی خاصی مانند کائولینیت، مونت موری لونیت، آتاپولگیت در برخی رس ها، بیشتر وجود دارند و این تجزیه و تحلیل شاخصی مناسب برای این مسئله می باشد.

رس های پخته شده

رنگ رس پخته شده: این رنگ در زمانی مهم می باشد که رس بعد از پخته شدن، مورد استفاده قرار می گیرد. هر چه یک رس سفید تر باشد، کیفیت پخت آن نیز بهتر است. اما در مورد سفال و برخی موارد دیگر، الگوهای رنگی از سفید بودن، مهم تر است. رنگ بعد از پخت، به ناخالصی های خاصی وابسته می باشد که در داخل رس می باشد.
شرینکیج: شرینکیج یا انقباض به دلیل این حقیقت رخ می دهد که آب بعد از خشک شدن بدنه، از آن خارج می شود. ذرات جامد به همدیگر نزدیک می شوند و حجم کل توده، کاهش می یابد. در هنگامی که نمونه ی خشک شده در داخل کوره حرارت داده می شود، ذرات به طور جزئی زجاجی می شوند و به همدیگر، نزدیک می شوند. بنابراین، موجب می شود تا شرینکیج دیگری در اینجا رخ دهد. این شرینکیج به میزان نرمی ذرات وابسته می باشد. شرینکیج بازگشت ناپذیر می باشد.
انبساط حرارتی: برخلاف شرینکیج، انبساط حرارت بازگشت پذیر می باشد. نمونه هایی از رس که هم اکنون پخت شده اند، دوباره حرارت داده می شوند و انبساط بازگشت پذیر رخ داده در آنها، مشاهده می شود. این کار با انجام آزمایشات دیلاتومتری (یعنی مطالعه ی تغییراند اندازه ای که در ماده و بواسطه ی حرارت دادن، رخ داده است)، انجام می شود. با انجام این آزمایش، اطلاعات ارزشمندی در مورد رفتار پخت یک محصول سرامیکی رسی، بدست می آید. نقش ارزشمند این آزمایش، در ارزیابی تطابق میان لعاب و بدنه می باشد. در واقع باید بین انبساط حرارتی بدنه و لعاب، تناسب وجود داشته باشد.
قابلیت ذوب شدن: یک نقطه ی ذوب مشخص برای رس ها وجود ندارد. این مواد معمولاً با حرارت دیدن، به صورت تدریجی ذوب می شوند.
دیرگدازی: این مسئله نشان داده شده است که یک رس معین قادر است در دماهای معین و تحت فشار نرمال، شکل بگیرد. به عبارت دیگر، دیرگدازی، مقاومت رس در برابر دماهای بالاست. در بیشتر کاربردها، یک نوع منفرد از رس، به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد و بچ هایی شامل چند نوع از این مواد، در داخل کوره، پخت می شوند. در واقع دمای ذوب شدن انواع مختلف رس، هیچ راهنمایی در زمینه ی میزان دیرگدازی آنها و رفتار واقعی آنها در کوره، ارائه نمی دهد. بنابراین، از هرم های استانداردی برای تعیین گستره ی دمای ذوب، یک هرم، بهره برده می شود. یک هرم تعیین دما، هرمی دارای قاعده ی مثلثی است و شکل و اندازه ی معین می باشد. این هرم ها از مواد خاصی ساخته می شوند که دمای ذوب شدن آنها، مشخص است. با تغییر ترکیب شیمیایی این هرم ها، یک سری از مخروط های با دمای نرم شوندگی مختلف، ساخته می شوند. در واقع دمای نرم شدگی سرامیک مورد نظر، با استفاده از این مخروط ها، تعیین می شود. دمای نرم شوندگی، بر اساس شماره ی مخروط و از روی یک جدول خوانده می شود. عدد مرجع هر مخروط، عدد معادل مخروط دما سنجی یا PCE نامیده می شود. سه سری استاندارد از مخروط های دما سنجی در آمریکا، آلمان و انگلیس، تدوین شده است. از بین این مخروط ها، مخلوط های آمریکایی در هند به عنوان مرجع مورد استفاده قرار می گیرند.
زجاجی شدن: زجاجی شدن در واقع میزان نفوذی است که تحت شرایط حرارت دهی خاص، با آن روبرو می شویم. میزان زجاجی شدن یا شیشه ای شدن یک رس، با میزان مواد فلاکس موجود در آن قابل مقایسه می باشد. البته میزان زجاجی شدن به مدت زمان حرارت دهی نیز وابسته می باشد.
گستره ی زجاجی شدن: بین دمایی که یک رس شروع به زجاجی شدن می کند و دمایی که یک رس به طور کامل ذوب می شود، تفاوت وجود دارد. میزان بالاتر ذرات ریز و مقادیر بیشتر مواد قلیایی و فلاکس، موجب می شود تا این تفاوت کوچک تر شود.
تخلخل: تخلخل مواد رسی خام، اهمیت کمی دارد و در واقع تخلخل رس های پخته شده، یک مورد مهم تلقی می شود. به عبارت دیگر، رس های با قابلیت زجاجی شدن، بعد از پخت، دانسیته ی بالاتری ایجاد می کنند.
با توجه به خواص بالا، این فهمیده می شود که بسیاری از این خواص وابسته به هم می باشند:
اندازه ی ذره، استحکام، توان چسبندگی، باد کردن یا تورم و قابلیت نفوذپذیری، به طور نزدیکی با پلاستیسیته در ارتباط می باشند.
اندازه ی ذره و شرینکیج نیز با هم مرتبط می باشند.
گستره ی زجاجی شدن، مورد خاصی نیست اما تفاوت میان دمای ذوب شدن و زجاجی شدن، بر روی رفتار ذوب شدن این مواد، اثر دارد.
جذب نیز بر اساس میزان تخلخل اندازه گیری می شود. در واقع جذب دقیقاً مخالف با زجاجی شدن می باشد.
جذب همچنین به طور جزئی با اندیس باد کردن یا تورم، مرتبط است.
رابطه ی میان سایر خواص نیز به درستی فهمیده نشده است. به هر حال، این خواص برای انجام بررسی های اولیه و به منظور درک ویژگی های مرتبط با استفاده های تجاری از این مواد می باشد. در استفاده های واقعی، حتی بعد از فهمیدن نوع رس، صنایع ممکن است نیازمند این باشند که کیفیت رس های خاص را مورد ارزیابی قرار دهند و این مسئله نیازمند انجام آزمایش های جزئی تر می باشد. اما از این مهم تر، صنایع بر روی تجزیه و قضاوت، تمرکز دارند و سعی می کنند تا منابعی را مورد استفاده قرار دهند که آزمون های مناسب بر روی آنها انجام شده است.

طبقه بندی رس های صنعتی

در بین مینرال های رسی، کائولینیت، مونت موری لونیت و آتاپولگیت مهم ترین نوع رس از لحاظ طبقه بندی صنعتی می باشند. این در حالی است که در بین ناخالصی ها، نیز مواد کربنی، سدیم اکسید، کلسیم اکسید و اکسید منیزیم، موجب می شود تا خواص برخی از این مواد به طور قابل توجهی متفاوت شود. اما در کل، طبقه بندی رس ها بر اساس نوع، استفاده ی صنعتی، طبیعت فیزیکی، خواص سرامیکی، نام ناحیه ی استخراج و موارد دیگر، انجام می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.