04 Clay Body Formulation

[email protected] Lecture 4 1

Types of Pottery

• Classifications of Pottery– Porosity of Body– Constituents of Body– Firing Temperature– Purpose of Use


Types of Pottery


Homework• Wollastonite


Wollastonite• CaSiO3 or CaO•SiO2

ใหค้ํานวณ Molecular weight ของ wollastonite

• ประโยชน์ที่นําไปใช้– White powder สว่นผสมของ Tile– Low moisture / oil absorption– Fillers in Paint and Plastic– Fluxing agent


Table of Elements


• เพื่อให้ได้สมบัติของสูตรดินตามต้องการ• เพื่อผสมดินวัตถุดิบต่างๆ ให้ได้เนื้อดินที่มีส่วนผสมตามต้องการ

– สามารถใช้วัตถุดิบที่ถูกกว่า– ใช้วัตถุดิบทดแทนอื่นๆ ในกรณีที่วัตถุดิบหมด/ขาดแคลน

• เพื่อให้ได้วัสดุใหม่– ศึกษาเนื้อดินของคู่แข่งโดยใช้ chemical analysis, x-ray

diffraction (mineralogy composition), density

What’s the purpose of Body formulation?


Body formulation• Empirical formula useful but not entirely serve for all

purposes. บ้างสับสนระหวา่งดินต่างชนิดแต่มีสูตร empirical formula เหมือนกัน/คล้ายกัน

• ดินธรรมชาติมีส่วนประกอบหลากหลายซึ่งมีผลต่อสมบัติกายภาพของดิน (Kaolinite (Al2O3•2SiO2•2H2O), Quartz, Mica, Other hydrated alumino-silicates + calcite, limonite (2Fe2O•2H2O), rutile, etc.)


ตัวอย่าง Ultimate Chemical Analysis ของดิน เป็นการศึกษารายละเอียดของสารประกอบในรูปของ oxides

SiO2 61.30%Al2O3 20.20%Fe2O3 3.40%TiO2 0.20%MgO 0.24%CaO 0.34%Na2O 1.05%K2O 2.35%Loss 10.90%

รวม 99.98%

SiO2 – ไม่รู้ว่าเป็น SiO2 ที่หลุดอยู่ข้างนอกผลึกดิน (Free Silica) หรือ Quartz หรือวา่อยู่ใน ผลึกของ Kaolinite

ฉะนั้น หากต้องการที่จะศึกษาว่ามีแร่ดินอะไรอยู่ในเนื้อดินนี้บ้าง จําเป็นต้องใช้การศึกษาผ่าน x-ray diffraction, thermal analysis และ electron microscope


Rational Analysisเป็นวัดส่วนผสมของแร่ดินต่างๆโดยการแยกให้อยู่ในรูปของสูตรแร่ดิน

• ปัจจุบัน นิยมใช้ในการอธิบายส่วนประกอบของแร่ในดิน ซึง่คํานวณจากการวิเคราะห์แบบ ultimate analysis

• เป็นวิธีที่นํามาใช้อย่างแพรห่ลาย เพราะสามารถคํานวณส่วนผสมได้อย่างถูกต้อง ฉะนั้นการอธิบายส่วนประกอบทางเคมีของดินจึงเขียนในรูปสูตรแร่ดิน

• การคํานวณวิเคราะห์หาส่วนประกอบทางแร่ในดินสามารถทําได้สองทางคือ (1) Feldspar convention (เทียบกับเฟลสปาร์) และ

(2) Mica convention (เทียบกับไมก้า)


การเทียบกับ Feldspar• “วิธีเดิมนั้น basic oxides จะถูกกําหนดให้เป็น Orthoclase feldspar

(K2O.Al2O3.6SiO2) โดยให้ Na2O, CaO, MgO อยู่ในรูปของ K2O ทั้งหมด Alumina ส่วนทีเ่หลือก็อยู่ในรูปของ kaolinite และ SiO2 ที่เหลือก็ให้อยู่ในรูปของ Quartz”

• ระยะหลังมีวิธีการที่สามารถแยก Na2O, CaO, MgO เป็นเฟลสปาร์ในลักษณะของตนเองและ หากมี Alumina มีสัดส่วนมากกว่า Silica ในการคิดสัดส่วนในแร่เฟลสปาร์ ให้กําหนด Alumina ให้เป็น corundum


การเทียบกับ mica• ถูกพัฒนาการวิเคราะห์ขึ้น เนื่องจากพบว่า Mg และ Fe สามารถแทรกอยู่

ในโครงสร้างผลึกของดินได้ และธาตุบางตัวก็สามารถแลกเปลี่ยนไอออนได้• จึงนํา mica มาเป็นโครงสร้างเปรยีบเทียบเนื่องจากสามารถพบไมก้าได้ทั้ง

ในเฟลสปาร์และดินทุติยภูมิ • นิยมวิเคราะห์ส่วนผสมของดินโดยใช้ “ลักษณะแร”่เป็นตัวกําหนด

– “ให้คิด Alkalies ต่างๆให้เป็น paragonite (soda mica) และ muscovite (potash mica) Alumina ส่วนที่เหลือให้คิดอยู่ในรูปของ kaolinite และ Silica ที่เหลือให้อยู่ในรูปของ Quartz นอกนั้นให้เป็น LOI”

** การวิเคราะห์นี้ ส่วนประกอบของ LOI สามารถเป็นเลขลบได้ ยอมรับว่าความคลาดเคลื่อนในการวิเคราะห์


Calculation of the Rational Analysis of a Clay on the Basic of Feldspar Convention

Molecular formula ของ Potash Feldsparมี K2O แคส่่วนเดียว

K2O K2O.Al2O3.6SiO294 5561 xx = 5.92

ทาํนองเดียวกันจะไดส้ัดส่วนของ N2O ต่อน้ําหนักโมเลกุลทัง้หมด = 8.45


จากตาราง%Feldpar = total Alkaline x 5.92

= 20.13%

%Al2O3 in feldspar = Feldspar x 0.183

= 20.13% x 0.183

= 3.68%

%SiO2 in Feldspar = Feldspar x 0.647

= 20.13% x 0.647

= 13.02%

% Kaolinite

=(total Al2O3-Al2O3 in Feldspar)x2.53

= (20.20-3.68)x2.53 =41.79%


• จากตารางสว่นผสมของดิน Ultimate Chemical Analysis จะรู้ว่า ส่วนประกอบของ K2O และ Na2O คือ 2.35%+1.05% = 3.40%

• ฉะนั้น % feldspar = 3.40 x 5.92 = 20.13%



จากตาราง (ต่อ)%SiO2 in Kaolinite = kaolinite x 0.465

= 41.79 x 0.465

= 19.43%

% Free Quartz = Total SiO2 – (SiO2 in Kaolinite + SiO2 in Feldspar)

= 61.30-(19.43+13.02)

= 28.85%

%Loss from organic matter

= Total Lose – H2O in kaolinte

= 10.90- (41.79x0.14) = 5.07%


ฉะนั้นเราจะได้ค่าสรุปการวิเคราะห์ส่วนผสมของดินดังนี้จากเดิมที่คิดแบบ ultimate chemical analysis

SiO2 61.30%Al2O3 20.20%Fe2O3 3.40%TiO2 0.20%MgO 0.24%CaO 0.34%Na2O 1.05%K2O 2.35%Loss 10.90%

รวม 99.98%


Calculation of the Rational Analysis of a Clay on the Basic of Mica Convention

• การวิเคราะห์ปัจจุบันเห็นว่า alkalies ที่มีอยู่ในดินนั้น คือ mica ไม่ใช่ feldspar• การวิเคราะห์โดยนํามาเทียบกับ micaนัน้ จะต้องดูจากแร่สองชนิดนี้

– Potash mica (muscovite) K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O– Soda mica (paragonite) Na2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O


Exercise ให้นักศึกษาหาสัดส่วนขององคป์ระกอบดังนี้

• %Potash mica• %Soda mica

• %Al2O3 ใน Potash mica

• %SiO2 ใน Potash mica

• %Al2O3 ใน Soda mica

• %SiO2 ใน Soda mica

• %Clay substance• %SiO2 in Clay• %Free Quartz


การนํา Rational Analysis ไปใช้• การนํา rational analysis ไปใช้เป็นวิธีทีง่าย และสามารถศึกษาได้จาก

ตัวอย่างดังนี้• ตัวอย่าง: ดินสําเร็จต้องมีส่วนประกอบดังนี้

– Ball Clay = 27 ส่วน– China Clay = 28 ส่วน– Silica = 29 ส่วน– Feldspar = 15 ส่วน

รวม 99%โดยสัณนิษฐานว่าดินไม่บรสิทุธิ์จากส่วนผสมBall Clay -Raw

เนื้อดิน 90% / Feldspar 6% และ Silica 4%China Clay -Raw

Kaolinite 94% / Silica 6%Feldspar -Raw

Feldspar 90% Silica 10%


• ต้องการเนื้อดิน ball clay 27 กิโลกรัม– ต้องใช้ดิน Ball Clay-Raw = (27x100) /90 = 30 kg

• ต้องการเนื้อดิน china clay 28 กิโลกรัม– ต้องใช้ดิน China Clay-Raw = (28x100) /94 = 29.8 kg

• Feldspar ใน Ball Clay-raw ถูกนํามาใช้แล้ว = (30 x 6)/100 = 1.8 kg– ฉะนัน้ต้องเพิ่ม feldspar อีก = 15-1.8 = 13.2 kg

• อีก 13.2 kg ต้องมาจาก Feldspar-Raw = (13.2x100)/90 = 14.7kg• Silica มาจาก Ball Clay, China Clay, และ Feldspar แล้ว

= (30x4)/100 + (29.8x6)/100 + (14.7x10)/100 = 4.5 kgฉะนัน้ต้องเพิ่ม Silica อีก = 29-4.5 = 24.5 kg


การคํานวณหาสดัส่วนของดินโดยการผสมดนิวตัถุดิบ

ตัวอย่างที่ 1เนื้อ porcelain ต้องมีสัดส่วนน้ําหนักของสารประกอบดังนี้

1 SiO2 59.02 Al2O3 32.03 K2O 3.04 Na2O 1.05 CaO 5.0

ดินวัตถุดิบที่หาได้มีดังนี้1. Quartz (SiO2) mol. wt. = 60.1

2. Kaolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O) = 258.1

3. Potash Feldspar (K2O.Al2O3.6SiO2) = 556.7

4. Soda Feldspar (Na2O.Al2O3.6SiO2) = 524.5

5. Calcite (CaCO3) = 100.1

หมายเหตุ: วัตถุดิบบริสุทธิ์


• วิธีที ่1 Stoichiometric Calculation เหมาะสําหรับสูตรดินที่ไม่ซับซ้อนและใช้วัตถุดิบที่บริสทุธิ์


วิธีที่ 2 Molecular Formula Approach

Step 1: คํานวณน้ําหนักโมเลกุลสําหรับเนื้อดินที่ต้องการ%Composition Mol. Wt. Mol. Part.

SiO2 59% 60.1 =59/60.1 = 0.9817Al2O3 32% 101.9 = 0.3140K2O 3.0% 94.2 = 0.0318Na2O 1.0% 62.0 = 0.0161CaO 5.0% 56.1 = 0.0891


• Step 2: คํานวณ batch formula จากเนื้อดิน ให้จัดทําตารางเพื่อหาน้ําหนักดินที่เผาแล้ว 100 ก.ก.

0.9820.3140.0890.0160.032100113.49

0.1628.589.740.16260.1SiO2

0.5320.26660.4968.650.266258.1Al2O3.2SiO2.2H2O

0.0897.858.910.089100.1CaCO3

0.0960.0160.0167.398.390.016524.5Na2O.Al2O3.6SiO2

0.1920.0320.03215.6917.800.032556.3K2O.Al2O3.6SiO2

SiO2Al2O3CaONa2OK2OWt%Part by Wt.

Mol. Part

Mol. Wt.

วัตถุดิบ


นิยาม Glazes – ส่วนประกอบที่เป็นของแข็งคล้ายแก้วเคลือบบนผิวของภาชนะหรือชิน้ส่วนเซรามิกโดยใช้ความร้อนในการหลอม เคลือบเหล่านี้ประกอบด้วยสารประกอบหลากหลาย โดยเฉพาะ Silicates และ Borosilicates

เคลือบ – เป็นของแข็งคล้ายแก้วทางกายภาพและทางเคมี มีความแข็ง ละลายได้เล็กน้อย หรือไม่ละลาย ยกเว้นกับกรดหรือด่างอย่างแรง ไม่ยอมให้อากาศและของเหลวผ่านได้ มีความใส โปร่งแสง มีสี หรือไม่มีสีก็ได้

Ceramic Glaze Calculations


แก้วกับเคลอืบ• แม้ว่าเคลือบจะสามารถหลอมตัวให้กลายเป็นของเหลวได้โดยใช้ความร้อน แต่

เคลือบจะมสี่วนประกอบทีม่ากมายและสามารถปรับเปลี่ยนลักษณะของเคลือบได้หลากหลาย

• ความแตกต่างระหว่าง Crystalline และ Vitreous Materials คือ การจัดวางของโครงสรา้งผลึก เช่น SiO4 ซึ่งเป็นหน่วยของโครงผลึก Quartz, Cristoballite และ Tridymite จะมกีารเรียงตัวกันแบบ Tetrahedron ในขณะทีแ่ก้ว vitreous ไม่มีการเรียงตัวกันอย่างมีระเบียบ

• Engobe คือผิวเคลือบเซรามิกซึ่งเป็นเนื้อเคลือบที่ไม่ละลายเหมือนเคลือบแก้ว จะให้สสีันและอุด defect ต่างๆบนผวิเซรามิก ส่วนใหญ่ใช้เนื้อดินเดียวกันกับผิวเซรามิกนั้นๆ


การจดักลุ่มสําหรับวัสดุเคลือบ

• วัตถุดิบอยู่ในรูป oxides ซึ่งสูตรเคลือบก็สามารถเขียนในลักษณะของ oxide ได้เช่นกัน เช่น H4Al2Si2O9 = Al2O3.2SiO2.2H2O

K2Al2Si6O16 = K2O.Al2O3.6SiO2วัตถุดิบถูกแบ่งออกเป็น 3 กลุม่ใหญ่ๆ คือ ด่าง กลาง และ กรด• Basic Oxides (network modifiers) – e.g. metallic oxides (RO, R2O group)

เป็นโครงข่าย Cations ที่เข้าไปแทรกอยู่ในเนื้อวัสดุ มีความสําคญัในลักษณะของเคลือบ

• Intermediates (neautrals) – metal or non-metal oxides (R2O3 group) • Acidic Oxides (network formers) – oxides of non-metallic elements

(RO2 group) เป็นตัวสร้างเนื้อแก้ว เช่น SiO2 / B2O3


RO group

(basic)

Na2O

K2O

CaO

BaO

MgO

ZnO

PbO

Li2O

SrO

FeO

MnO

CdO

CuO

R2O3 group

(Amphoteric)

Al2O3

Fe2O3

Cr2O3

Mn2O3

Sb2O3

Co3O4

RO2 group(acidic)

SiO2(B2O3)

SnO3ZrO2TiO2

Common basic intermediate and acidic oxides used in compounding glaze batches


Examples:Glaze formulations

1. ใหห้าสูตร empirical หรอื simplest possible (หรอื molecular formula) ของสารอินทรีชนิดหนึ่งที่ส่วนผสมโดยน้ําหนักดังนี้

C = 92.31% H = 7.69% (hint: divide with the smallest factor)

2. ใหห้าสูตร empirical ของดินขาวที่มีส่วนผสมดังนี้SiO2 = 46.51% Al2O3 = 39.53% H2O = 13.96%


3. Calculate empirical formula for this typical feldsparSiO2 64.76%Al2O3 19.94%Fe2O3 0.04%CaO 0.17%Na2O 2.48%K2O 12.24%L.O.I. 0.35%



4. Simple Glaze has the following molecular formulaPbO • 0.2Al2O3 • 2.9SiO2

ให้หา batch formula ที่เป็น wt% โดยใช้วัตถุดิบเหล่านี้Lead Silicate (PbO.2SiO2), China Clay, Silica


Documents

04 Clay Body Formulation