بررسي و بهينهسازي مصرف گچ بتا در صنايع چيني بهداشتي محمود شيخ عطار*1 و مهدي شعباني2

چكيده
از آنجا كه در صنايع چيني بهداشتي ايران، ريختهگري به روش دوغابي سنتي انجام ميگيرد، لذا قالبهاي گچي نقش اساسي در كيفيت محصول نهايي دارند. بنابراين، قالبهاي گچي در اين صنعت از نظر طول عمر، جذب آبّ و سطح تمام شده داراي اهميتي ويژه ميباشند كه بهينه سازي اين فراسنجها، به يك سري عوامل موثر ذاتي گچ همچون استحكام، دانه بندي، جذب آب، ضريب نفوذ پذيري، سياليت، زمان گيرش گچ قالبسازي و همچنين، برخي شرايط ساخت قالب گچي مانند دور همزن، مدت زمان همزدن، دماي آب، سختي آب و روش خشك كردن قالب بستگي دارد. در اين پژوهش، ابتدا به بررسي ويژگيهاي ذاتي گچ و اثر آن بر كيفيت قالب پرداخته شده است و پس از انتخاب گچ مناسب، اثر عوامل حين ساخت، مورد بررسي قرار گرفت. سپس با توجه به امكان تغيير اين فراسنجها، قالب گچي با ويژگيهاي مناسب جهت توليد چيني بهداشتي ساخته شد.

واژههاي كليدي: گچ قالبسازي، زمان گيرش، چيني بهداشتي

كارشناس پژوهش و توسعه ي گلس ار فارس.
دانشجوي دكتري مهندسي مواد از دانشگاه NOVA de پرتغال.
attar@golsarfars.ir :نويسندهي مسئول مقاله -*

پيشگفتار
قالبهاي گچي به دليل استحكام و جذب آب بالا، به بستري مناسب جهت تشكيل ضخامت كيك در صنعت چيني بهداشتي تبديل شدهاند، از سوي ديگر، كيفيت محصولات اين صنعت در ارتباط مستقيم با كيفيت قالب گچي ميباشند. كيفيت قالبهاي گچي يكي از عواملي است كه ميتواند مقدار ضايعات ريختهگري و كيفيت محصولات نهايي را در صنايع چيني بهداشتي تحت تأثير خود قرار دهد[1]. قالبهاي گچي افزون بر داشتن استحكام مكانيكي و ابعاد دقيق، بايستي با حذف حبابهاي هوا و ديگر عيوب، سطحي صاف و يكنواخت نيز داشته باشند و با وجود داشتن اين ويژگيها نقش اصليشان كه جذب آب است را بخوبي ايفا كنند تا بتوانند آب دوغاب را از راه لولههاي موئين جذب نمايند[2].
در اين مقاله، جهت بهبود كيفيت قالبهاي گچي، ابتدا اثر عوامل ذاتي گچ همچون زمان گيرش، سياليت و دانه بندي و سپس عوامل حين فرايند ساخت، مانند دور همزن، مدت زمان هم زدن ، دماي آب و خشك كردن بررسي مورد بررسي قرار گرفتند.

آزمايشها
دانه بندي: براي انجام اين آز مون 100 گرم از 4 نوع گوناگون گچ تهيه شد و به مدت 4 ساعت در گرمكن با دماي 40 درجهي سانتيگراد قرار داده شد تا رطوبت آن از بين برود سپس بر اساس استاندارد ASTM D422-63 با استفاده از الك ويبرهي Retsch مدل AS200 با الكهاي 60، 80، 100، 170، 140، و 400 مش و به مدت 10 دقيقه با دامنهي نوسان 5/1ميليمتر توزيع دانه بندي اين گچها ترسيم شد [3]. سپس از هر نمونه بر اساس استاندارد ASTM C293-08 با نسبت گچ به آب 130 به 100 ( آب مقطر)، دور همزن 750 دور بر دقيقه و به مدت 1 دقيقه تحت خلاء تيغههاي استحكام با ابعاد 5/1× 5/2 × 15 سانتيمتر تهيه گرديد[4]. پس از گيرش، تيغهها به مدت 1 روز در دماي 40 درجهي سانتيگراد خشك شد و مورد آزمون استحكام با بارگذاري 3 نقطهاي به وسيلهي دستگاه استحكام سنج MOR/4-
DR شركت Ceramic Instrument قرار گرفتند. آزمون جذب آب مطابق با استاندارد ASTM C373 – 88)2006( از نمونههاي شكسته شدهي آزمون قبل، انجام شد [5].
پس از انتخاب گچ مناسب، جهت اطمينان از خلوص، گچ بهوسيلهي دستگاه XRD مدل Siemens D500 آناليز شد. نتايج در شكل يك قابل مشاهده است و آناليز شيميايي اين گچ به شرح جدول 1 ميباشد.
مقدار خلوص اين گچ تقريباً 96 درصد محاسبه
ميشود كه بر اساس استاندارد ASTM C472-84 براي قالبسازي مناسب است [5]. پس از اطمينان از خلوص گچ، به بررسي عوامل مؤثر بر كيفيت قالبها در حين ساخت آنها پرداخته شد:
اثر دور همزن و مدت زمان همزدن بر زمان گيرش: نمونههاي گچ تهيه شده و مطابق با جدول 2، تمام موارد ثابت فرض شده، اما دور همزن در محدودهي 100 تا 1000 دور بر دقيقه مورد آزمايش قرار گرفت.
آزمون گيرش گچ به روش ويكات مطابق با استاندارد ASTM C150-07 صورت پذيرفت[6]. همين آزمون با دور همزن ثابت در مدت زمانهاي 1 تا 4 دقيقه انجام شد.
اثر نسبت گچ به آب: پس از تهيهي نمونههاي گچ، آزمون گيرش، استحكام و جذب آب براي نسبتهاي گچ به آب 1/1 تا 6/1 انجام گرفت.
اثر دماي آب: نمونههاي گچ مورد نظر در مراحل قبل با دماي آب 6 تا 70 درجه ي سانتيگ راد مورد آزمون قرار گرفتند.
در تمامي آزمايشهاي بالا جهت از بين بردن اثر سختي آب به عنوان عاملي مؤثر در زمان گيرش، از آب مقطر استفاده شد.

بحث در نتايج
همان گونه كه در شكل دو مشاهده ميشود، دانهبندي ذرات گچ با درصد تخلخل ظاهري قالب گچي و در نتيجه قدرت جذب آب آن ارتباط مستقيم دارد، به گونهاي كه هر چه اندازهي ذرات و توزيع ذرات كوچكتر بيشتر باشد، تخلل ظاهري و در نتيجه قدرت جذب آب كاهش مييابد و بر عكس هر چه توزيع ذرات درشتتر بيشتر باشد، جذب آب قالب گچي افزايش مييابد[7].
لذا جهت بهينه سازي كيفيت قالب لازم است تا دانهبندي گچ تامينكنندههاي متفاوت مورد بررسي قرار گيرد كه نتايج آن در شكل سه قابل مشاهده است. از آنجا كه دانهبندي گچ بر قطر و تعداد لولههاي موئين تشكيل شده و استحكام قالب مؤثر است، لذا در انتخاب دانهبندي مناسب بايد به حد بهينهاي دست يافت. معمولاً براي ريخته گري دوغابي و دستي استحكام گچ بيش از 2kg/cm50 و جذب آب 35 تا 38 درصد مناسب است.
CaSO4.1/2H2O + 3/2 H2O

،(2 آمده از آزمونهاي استحكام و جذب آب (جدول
همان گونه كه شكل سه نشان ميدهد، توزيع دانه بندي نمونههاي A و C به يكديگر نزديكتر بوده و نسبت به دو نمونهي ديگر داراي توزيع دانه بندي ريزتري ميباشند و همان گونه كه انتظار ميرفت، نتايج بدست كامل ظرفهاي گچ يا در حين حمل و نقل گچ بوجود ميآيد. همان گونه كه در شكل 4 د مشاهده ميشود، تنها با وجود 03/0 درصد گچ آبخورده (ژيپس) زمان گيرش به نصف كاهش مييابد. دماي محيط كاري و آب اثر زيادي بر زمان گيرش اوليه دارند به گونهاي كه در دماهاي پايين و بالا ( كمتر از 10 درجه و بيشتر از 45 درجهي سانتيگراد) گيرش اوليه افزايش مييابد ( شكل 4ج). علت افزايش زمان گيرش با افزايش دما تنها به گرمازا بودن واكنش برگشت پذير تبديل انيدرات به دي هيدرات مربوط مي شود كه مطابق با اصل لوشاتليه واكنش به سمت مخالف بر مي گردد، اما با كاهش دما، انرژي اكتيواسيون لازم جهت انجام واكنش كاهش مييابد كه دوباره منجر به افزايش زمان گيرش ميشود.

تئوري ذكر شده در بالا را توجيه ميكند.
با توجه به جدول 2، نمونهي گچ C داراي استحكام و جذب آب مناسبتري ميباشد. بنابراين، براي ساير آزمونها از اين گچ استفاده شد. نتايج بدست آمده از آزمونهاي حين فرايند ساخت قالب در شكل 4 آمده است، همان گونه كه در شكل چهار (الف و ب) مشاهده ميشود با افزايش دور همزن يا مدت زمان همزدن زمان گيرش و سياليت گچ كاهش يافته كه در واقع علت اصلي آن افزايش تعداد جوانهزاهايي است كه در اثر هم خوردن وشكسته شدن به مراكز جوانه زايي ديگري تبديل ميشوند و چون ساز و كار استحكامگيري گچ پس از گيرش قفل شدن بلورهاي سوزني گچ در يكديگر است ، لذا دور و مدت زمان همزدن از عوامل مؤثر بر استحكام قالب ميباشد. از ديگر عوامل موثر بر زمان گيرش، استحكام و جذب آب قالبهاي گچي نسبت گچ به آب ميباشد. همان گونه كه شكل چهار (ه) و (و) نشان ميدهد، با افزايش نسبت گچ به آب، عوامل جوانه زا افزايش يافته و زمان گيرش كاهش مييابد و با كاهش مقدار آب تخلخلهاي ظاهري كاهش يافته و در نهايت، جذب آب قالب را تحت تأثير خود قرار ميدهد.
از عوامل ديگر مؤثر بر فرايند ساخت، وجود ناخالصيهاي گچ آبخورده است كه در اثر تميز نكردن CaSO4.2H2O + Q

جهت انجام يكسري از آزمايشها و تعيين رفتار گچ در دماهاي گوناگون، از آزمايش DTA و TG مدل استفاده شد كه نشان دهنده ي واكنشها يا تغييرات فازي است كه در دماهاي گوناگون براي گچ رخ ميدهد. همان گونه كه از شكل 5 مشاهده ميشود، بيشترين كاهش وزن مربوط به محدودهي دمايي 120 تا 230 درجهي سانتيگراد است كه در واقع در اين محدوده گچ همي هيدرات به انيدرات تبديل ميشود كه يك واكنش گرماگير است. همچنين، كاهش اوليه و كمي در ابتداي نمودار TG رخ داده است كه بيانگر از بين رفتن رطوبت ظاهري ميباشد.
از آنجا كه امكان دارد گچ قالبسازي، گچ نيمه هيدرات خالص نباشد و داراي ناخالصي انيدرات يا دي هيدرات باشد، لذا جهت تعيين مقدار خلوص گچ همي هيدرات، 100 گرم از گچ مصرفي در دماي 230 درجهي سانتيگراد به مدت 5 ساعت قرار داده شد تا تمام گچ به انيدرات تبديل گردد و با توجه به اينكه در اين دما در صورت خلوص كامل ميبايست 2/6 درصد از وزن خود را كاهش بدهد[8]، در صورتيكه وزن از دست رفته از اين مقدار بيشتر باشد، ميتوان نتيجه گرفت كه همراه گچ نيمه هيدرات مقداري گچ دي هيدرات نيز بوده است و در صورتي كه وزن از دست رفته كمتر از اين مقدار باشد، نشان دهندهي حضور انيدرات ميباشد.
خشككردن قالبهاي گچي از اهميتي ويژه برخوردار است زيرا استحكام قالب خشك چندين برابر قالب خيس ميباشد[9] از سوي ديگر، امكان ريختهگري و جذب آب در قالب خيس وجود ندارد، اما همواره خشك كردن قالبهاي گچي با مشكلاتي همچون كلسينه شدن و پودري شدن قالب و ترك خوردن در اثر شوك حرارتي همراه بوده است. لذا، خشك كردن قالبهاي گچي درون گرمخانهها مي بايست در سيكل مشخصي صورت گيرد. در طراحي سيكل حرارتي و رطوبتي گرمخانههاي گچريزي، جهت جلوگيري از كلسينه شدن گچ كه منجر به پودري شدن و كاهش شديد استحكام ميشود، لازم است دما و رطوبت با توجه به نمودار شكل شش به گونهاي طراحي شود كه همواره نقطهي برخورد دما و رطوبت زير منحني قرار گيرد[9]. در شكل 7، تصوير SEM تفاوت قالب گچي كلسينه شده را با قالب گچي كه در شرايط مناسب خشك گرديده است، نشان ميدهد.
همان گونه كه در شكل مشاهده ميشود، تغيير ساختار سوزني به Flake ، علت اصلي كاهش استحكام قالب در اثر خشك كردن نامناسب است.

نتيجه گيري
عوامـل ذاتـي گـچ ماننـد دانـهبنـدي، ميـزان خلـوص، استحكام و جذب آب در تعيين كيفيت قالب گچـي مـؤثرميباشند.
كيفيـت قالـب گچـي همـواره تحـت عـواملي از جملـه ناخالصي، دور همزن، مدت زمان همزدن، نـسبت گـچ بـهآب، دماي آب و محيط گچريزي تغيير ميكند.
خشك كردن قالبهاي گچي ميبايست بسيار محتاطانهو با دقت صورت گيرد زيرا قالبهاي گچي در اثـر شـرايطن امطلوب خ شك ش دن امك ان كل سينه ش دن و اف تاستحكام خواهند داشت.

تشكر و قدرداني نويسندگان مقاله از شركت چيني بهداشتي گلسار فارس به خاطر حمايت مالي كمال تشكر را دارند.

منابع
K. K.Kelley., J.C. Soutard., and C.T. Anderson., U.S. Bureau of Mines,
Technical paper No.625, (194).
D.A. Holdridge., “The characterization of plaster”, Tra. Brit. Cer. Soc. Vol.64, pp.212-231 (1965).
ASTM D422 – 63″Standard Test Method for Particle-Size Analysis of
Soils”, 2007.
ASTM C293 – 08 “Standard Test
Method for Flexural Strength of Concrete (Using Simple Beam With Center-Point Loading)”, 2008.
ASTM C373 – 88(2006) “Standard Test Method for Water Absorption, Bulk Density, Apparent Porosity, and Apparent Specific Gravity of Fired Whiteware Products”,2006.
ASTM C150 – 07 Standard
Specification for Portland Cement. 7- A.J. Lewry., and J. Williamson.,” The setting of gypsum plaster part 1, the hydration of calcium sulphate hemihydrate”, J.Mat.Sci. , Vol.29, No.20, pp.5279-5284(1994).
R. Hoffman., and W.P. Pan., “Measuring ΔH using TG-DTA and incorporating mass change into the result α”, Thermochimica Acta, 192 ,135-146, 1191.
D.D. Marchant., J.L. McAlpin., and T. Stangle., “Investigation plaster properties”, ceramic industry, pp. 64-64, Des (1994).

پيوستها

جدول 1- آناليز شيميايي نمونهي گچ C.
CaO SO3 NaCl H2O MgO Al2O3 SiO2 CO2
31/6 44/6 0/5 19/8 0/3 0/7 2/1 0/5

شكل 1- نمودار پراش اشعهي X نمونهي گچ مورد نظر.

شكل 2- اثر توزيع دانه بندي بر تخلخل [7]

جدول 2- شرايط آزمايشها حين فرايند ساخت قالب.
دما (درجهي
سانتيگراد) مدت زمان همزدن (دقيقه) دور همزن (دور بر دقيقه) زمان سكون( دقيقه) نسبت گچ به آب
25 1 750 1 130/100

شكل 3- توزيع دانهبندي تامينكنندههاي گوناگون.

جدول 3- اثر دانه بندي گچ همي هيدرات بر استحكام و جذب آب قالب گچي.
D C B A نمونه گچ
51 60 48 56 استحكام 2kg/cm
38/22 37/33 38/94 37/88 جذب آب( درصد)

لف
ا

ب

لف

ا

ب

شكل 4- الف) اثر دور همزن بر زمان گيرش ب) اثر مدت زمان همزدن بر زمان گيرش و سياليت گچ ج) اثر دماي آب بر زمان گيرش د) اثر حضور ناخالصي ژيپس بر زمان گيرش ه) اثر نسبت گچ به آب بر زمان گيرش و) اثر نسبت گچ به آب بر استحكام و جذب آب

شكل 5- نمودار DTA و TG گچ قالبسازي گچ بتا

شكل 6- كمترين رطوبت نسبي در دماي مشخص براي جلوگيري از كلسينه شدن[9]

شكل 7- تصوير SEM از الف) گچ مربوط به قالب كلسينه شده ب) گچ مربوط به قالبي كه بخوبي خشك شده و كلسينه نشده



قیمت: تومان


پاسخ دهید