|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| หินฟันม้า (Feldspar) | |
|
หินฟันม้า (Feldspar)
ดร. คชินท์ สายอินทวงศ์
Feldspar มาจากภาษาเยอรมัน "Feldspat"
Feldspar เกิดขึ้นมาจาก magma ที่อยู่ภายใต้โลก ถูกดันขึ้นมาด้วยความดันสูง มาเกิดเป็นหิน igneous และสลายตัวต่อมาเป็น Feldspatic rock ซึ่งมักจะมี Quartz และ muscovite ปนอยู่ด้วย
นอกจากนี้ Feldspar ยังเกิดเป็น sedimentary deposit ได้เหมือนกับพวก Silica และ Kaolin
โครงสร้างผลึกและส่วนประกอบทางเคมี
โครงสร้างพื้นฐานของ feldspar จะเป็น ring structure ของ tetrahedral sheet 4 กลุ่ม ในกรณีของ potassium feldspar และ sodium feldspar จะเป็น silica tetrahedral 3 กลุ่ม และ Aluminium tetrahedral 1 กลุ่ม ในขณะที่ Calcium feldspar โครงสร้างจะเป็น 2 silicon tetrahedral และ 2 aluminium tetrahedral sheet
Potassium feldspar (K2OAl2O36SiO2)
จะมีโครงสร้างผลึก คือ Monoclinic และ triclinic
เราจะเรียกชื่อ K-feldspar ที่มีโครงสร้างแบบ monoclinic ว่า orthoclase และเรียก โครงสร้างแบบ triclinic ว่า microcline ซึ่งโดยปกติแล้วเราจะพบ K-feldspar ที่เป็น orthoclase มากกว่า
Sodium feldspar (Na2OAl2O36SiO2)
โครงสร้างผลึกเป็น Triclinic เรียกชื่อแร่ของ Na-feldspar ว่า Albite
Calcium feldspar (CaO Al2O32SiO2)
โครงสร้างผลึกเป็น Triclinic เรียกชื่อแร่ของ Ca-feldspar ว่า Anorthite
โดยปกติในธรรมชาตินั้น มักจะเกิด Solid solution ของ Feldspar ทั้ง 3 ชนิด เสมอๆ โดยเฉพาะ Albite และ Anorthite เนื่องจากขนาดของ Na+ และ Ca+ มีขนาดใกล้เคียงกัน เราเรียกแร่ที่เป็นส่วนผสมของ feldspar ทั้ง 2 ชนิดนี้ว่า Plagioclase นอกจากนี้ยังมีชื่อเฉพาะของแร่ที่ผสม feldspar 2 ชนิดนี้ โดยเรียกชื่อตามสัดส่วนของ Albite/Anorthite
| ชื่อ |
Albite/anorthite ratio |
| Oligoclase |
7 / 1 |
| andesite |
2 / 1 |
| labradorite |
1 / 2 |
| bytownite |
1 / 7 |
สำหรับ Orthoclase ก็สามารถละลายปนกับ Albite ได้ในธรรมชาติ feldspar ที่เรารู้จักกันดีและนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมเซรามิกอย่างมาก ที่เป็นsolid solutionของ Albite และ Othoclase คือ Nepheline syenite ซึ่งสูตรเคมีของ Nepheline syenite คือ 2(K,Na,O) 2Al2O34SiO2 โดยปกติตามธรรมชาติจะมี % Na มากกว่า % K ซึ่งอัตราส่วนของ Na:K จะมากกว่า 3:1
ส่วนประกอบทางเคมีตามทฤษฎีของ Feldspar
|
SiO2 |
Al2O3 |
Na2O |
K2O |
| Na-feldspar |
68.7 |
19.5 |
11.8 |
- |
| K-feldspar |
64.8 |
18.3 |
- |
16.9 |
| Nepheline syenite |
41.5 |
35.2 |
17.5 |
5.8 |
นอกจากนี้ยังมี Feldspar ของ Lithium ที่นำมาใช้งานในทางอุตสาหกรรมเซรามิก มี Petalite (Li2OAl2O38SiO2) Spodumen (Li2OAl2O34SiO2) ซึ่งมักนิยมใช้สำหรับการเป็นตัวช่วยหลอมในสีเคลือบมากกว่าในเนื้อดิน
แหล่งที่พบในโลกและในประเทศไทย
Feldspar เป็นแร่ที่พบได้ทั่วไปในทั้งโลก แหล่งที่มีคุณภาพดีและมีความบริสุทธิ์สูง จะอยู่ที่ประเทศแถบสแกนดิเนเวีย, ยูเครน, อิตาลี, ฝรั่งเศส, อเมริกา, อินเดีย ฯลฯ
ส่วนแหล่งที่สำคัญของ nepheline syenite จะอยู่ที่ แถบไซบีเรีย แคนาดา ฟินแลนด์ บราซิล และอเมริกา
ส่วนในประเทศไทยนั้น แหล่งที่พบ K-feldspar ที่สำคัญอยู่ที่ อ.สวนผึ้ง จ.ราชบุรี อ.ฝาง จ.เชียงใหม่ แหล่งที่พบ Na-feldspar จะมีที่ จ.ตาก , จ.กาญจนบุรี, จ.ราชบุรี, จ.นครศรีธรรมราช ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว แหล่งแร่ feldspar ในเมืองไทย จะมี Na-feldspar ผสมอยู่กับ K.feldspar เสมอ เพียงแต่อัตราส่วนใดจะมากกว่ากัน การเลือกใช้แหล่งก็จะขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการนำไปใช้งาน
 รูปภาพแสดงเหมือง Feldspar
การตกแต่งแร่เฟลดสปาร์(K2OAl2O36SiO2)
1. การลอยแร่ (อ่านได้ในบทความเรื่องการลอยแร่เฟลดสปาร์)
2. การบดย่อยและคัดขนาด
เริ่มต้นจากการระเบิดเหมือง Feldspar และคัดเอาหิน granite ที่ปนมาออกไปก่อนแล้วนำไปเข้าเครื่องย่อยเพื่อลดขนาดลง อาจใช้เครื่อง Jaw crusher, hammer mill, cone crusher ฯลฯ จากนั้นก็ผ่านตะแกรงสั่น ผ่านแม่เหล็กหรือดักเหล็กที่อาจจะปนมากับแร่หรือปนมาจากเศษวัสดุที่สึกหรอออกมาจาก Crusher วิธีการนี้มักใช้กับ Feldspar ที่ใช้สำหรับเนื้อดิน ไม่ต้องการความบริสุทธิ์สูง มีมลทิน (impurity) ได้บ้าง ขนาดจะอยู่ในช่วงต่ำกว่า 5 mm.
3. การบดละเอียด
กระบวนการเริ่มต้นจะเหมือนการบดหยาบ แต่หลังจากได้ก้อนแร่ที่มีขนาดเล็กกว่า 5 mm. แล้วจะนำแร่ดังกล่าวไปบดต่อใน ball mill ซึ่งมีทั้งแบบบดเปียกและแบบบดแห้ง (ขึ้นกับเครื่องจักร)
ในกรณีบดเปียก เมื่อบดได้ครบตามชั่วโมงที่ต้องการ เช็คความละเอียดของน้ำ slip ได้แล้ว ก็ถ่ายน้ำ slip ออกมาผ่านเครื่องดักเหล็ก ก่อนจะนำไปอบแห้ง เพื่อให้ได้ผงละเอียดของ feldspar สำหรับนำไปใช้งานต่อไป
ในการบดแห้ง Ball mill ที่ใช้จะมีลักษณะแตกต่างกันกับการบดเปียก โดยวัตถุดิบที่จะป้อนเข้าไปเริ่มต้นจะต้องมีขนาดต่ำกว่า 2 mm. เมื่อบดแล้วจะมี cyclone สำหรับคัดขนาดโดยอนุภาคที่มีขนาดเล็กจนกระแสลมภายในสามารถยกอนุภาคขึ้นไปได้จะถูกคัดแยกออกไปจากด้านท้ายของ ball mill ในขณะที่อนุภาคที่ยังมีขนาดใหญ่อยู่ (มีน้ำหนักมาก) จะตกลงและถูกนำกลับไปบดใหม่อีกครั้ง นอกจากนี้อนุภาคที่มีความละเอียดมากก็จะถูกคัดแยกด้วยเช่นกัน เพราะถ้าเป็นฝุ่นเกินไปก็จะมีปัญหาในการนำไปใช้งานได้ โดยเฉพาะโรงงานผลิต frit โรงงานหลอมแก้ว, กระจก
เมื่ออนุภาคถูกคัดแยกโดยลมแล้ว ก็จะผ่านเครื่องดักเหล็ก ก่อนจะนำไปบรรจุถุงเพื่อจำหน่ายต่อไป
การใช้งานในอุตสาหกรรมเซรามิก
K-feldspar มีจุดหลอมตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า Na-feldspar แต่จะมีช่วงกว้างของการหลอมตัว (firing range) ที่กว้างกว่า Na-feldspar ดังนั้น K-feldspar จะใช้เป็นตัวช่วยลดจุดหลอมตัว (flux) ที่อุณหภูมิสูง มักใช้สำหรับเป็น flux ของเนื้อดิน (Body) ในผลิตภัณฑ์ porcelain, insulator, กระเบื้องแกรนิต, สุขภัณฑ์ ฯลฯ เนื่องจากผลิตภัณฑ์เหล่านี้ต้องใช้การเผาที่อุณหภูมิสูง จึงทำให้อาจเกิดปัญหาการหดตัวสูง ทำให้ขนาดเปลี่ยนแปลงมากเกินไป หรือมีการบิดเบี้ยวของรูปหรือขณะเผา การใช้ K-feldspar จะช่วยแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้ K-feldspar มีการใช้งานในเคลือบบ้าง แต่ไม่ค่อยแพร่หลายนัก เนื่องจากต้องใช้อุณหภูมิในการเผาสูงขึ้น แต่ข้อดีก็คือ จะทำให้เคลือบทนรอยขูดขีด (Abrasion) ได้ดีขึ้น และสีของเคลือบก็จะสดใสและใสกว่าเพราะแหล่งที่มี K-feldspar นั้น จะพบ impurities พวก Fe2O3, TiO2 น้อยกว่า
Na-feldspar เป็น flux ที่อุณหภูมิต่ำกว่า K-feldspar แต่ก็มีช่วงการใช้งานที่แคบกว่าด้วยมักใช้สำหรับเป็น flux ในสีเคลือบของผลิตภัณฑ์ stone ware, กระเบื้องปูพื้น, porcelain, สุขภัณฑ์ เนื่องจากจะช่วยทำให้สีเคลือบสุกตัวได้ที่อุณหภูมิต่ำ สำหรับการใช้งาน feldspar ในสีเคลือบนั้นมักจะใช้แร่ลอยหรือแร่ที่บดแห้งจนมีความละเอียดต่ำกว่า 200 mesh จะทำให้มีประสิทธิภาพในการบดน้ำเคลือบดีขึ้น
นอกจากนี้ยังมีการใช้ Na-feldspar ในเนื้อดิน (body) ด้วยเช่นกัน ในผลิตภัณฑ์ที่เผาไม่สูงจนเกินไปนัก (ไม่เกิน 1200°C) เช่น พวก stoneware, earthenware, กระเบื้องปูพื้น โดยเฉพาะการเผาแบบ fast firing
ในทางปฏิบัติจริงแล้ว Feldspar ที่เรานำมาใช้งานนั้นมักเป็นแร่กระเทย ซึ่งมีส่วนผสมทั้ง K2O และ Na2O อยู่ในสายแร่ ทำให้เราสามารถเลือกใช้ข้อดีของทั้ง K-feldspar และ Na-feldspar ได้
ในอุตสาหกรรมแก้ว, กระจก, frit ก็มีการใช้ทั้ง K-feldspar และNa-feldspar แต่ต้องมีการควบคุม % alkali อย่างเหมาะสม มี % impurities ต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ มี particle size distribution ที่เหมาะสม ซึ่ง feldspar ก็จะ flux ร่วมกับ flux ตัวอื่นๆที่เติมลงไปเช่น Borax, Soda ash
Nepheline syenite จะใช้สำหรับผลิตสีเคลือบ เนื่องจากเป็น flux ที่รุนแรงกว่า Na-feldspar (มี % alkali สูงและ % SiO2 ต่ำกว่า feldspar) มักใช้ในรูปของ powder มีราคาแพง เพราะต้องนำเข้ามาจากต่างประเทศ แต่มีความบริสุทธิ์สูงและช่วยลดอุณหภูมิในการเผาลงได้
Petalite ใช้เติมในสีเคลือบ เพื่อช่วยปรับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (Coefficient of thermal expansion) ให้สัมพันธ์กันระหว่างเคลือบและ body โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์กระเบื้องที่ต้องการค่า Planarity ที่ดี และป้องกันปัญหา Delay crazing นอกจากนี้ Petalite ยังใช้เป็น flux ที่รุนแรงด้วย
(หมายเหตุ -รายละเอียดของวัตถุดิบสำหรับสีเคลือบนั้นจะอยู่ในเรื่องวัตถุดิบสำหรับเคลือบเซรามิก)
การควบคุมคุณภาพ
Chemical analysis ต้องตรวจสอบ % alkali ที่มีอยู่ในแร่ว่ามี % Na2O, K2O หรือ CaO เท่าใด รวมทั้ง % SiO2 ด้วย ถ้ามี % alkali สูง แร่นั้นก็จะมีแนวโน้มที่จะหลอมตัวได้ดีกว่า จึงสามารถใช้ได้ในปริมาณน้อยลง หรือลดอุณหภูมิในการเผาได้
ตรวจสอบค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (COE) โดยใช้เครื่อง Dilatometer
% Impurities เช่น Fe2O3, TiO2, CaCO3, Mica, Quartz สำหรับ Fe2O3 และ TiO2 จะส่งผลต่อสีหลังเผาของผลิตภัณฑ์ ขณะที่ CaCO3 จะส่งผลทำให้อาจเกิด gas ขึ้นได้ในขณะหลอม Mica จะทำให้เกิดจุดสนิมและตำหนิภายหลังจากเผาผลิตภัณฑ์แล้ว
การหลอมตัว (Fusion) จะใช้การอัดเป็นโคน แล้วนำไปเผาแล้ววัดความสูงของโคนก่อนและหลังเผา เพื่อมาหา %การหลอมตัวของ feldspar ถ้า feldspar มี %การหลอมตัวสูง ก็จะเป็น flux ได้ดีกว่าตัวที่มี % fusion ต่ำ
สีหลังเผา จะใช้ดูในกรณีที่เราใช้งาน Feldspar ขึ้นกับสีเคลือบ หรือกรณีใช้กับเนื้อดิน ที่ต้องการความขาวมากกว่าปกติเช่นกระเบื้องแกรนิต ผลิตภัณฑ์ถ้วยชามเนื้อพอซ์สเลน
% กากที่ค้างตะแกรง (% Residue) ใช้ตรวจสอบ feldspar ที่เป็น แร่ลอยหรือแร่ที่บดแห้ง เพื่อดูความละเอียดของแร่นั้นๆ ที่จะนำมาใช้งาน ถ้ากากที่ปริมาณเยอะกว่ามาตรฐานที่กำหนดไว้ แสดงว่า ความละเอียดในการบดนั้น ยังไม่ได้มาตรฐาน
ตรวจเช็คค่า%Carbonate ที่มีอยู่ภายในแร่ โดยใช้การทดสอบหาค่า%คาร์บอเนตโดยใช้กรด (Acid test) เจือจางหยดลงบนหินปูน เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาดังนี้
CaCO3 + 2H+ → Ca2+ + H2O + CO2
ซึ่งเมื่อหยดกรดลงไปกรดจะไปทำปฏิกิริยากับหินปูนแล้วเกิดเป็นฟองอากาศ(Effervesce) ของกาซ CO2 เมื่อทดสอบหินปูนในชุดอุปกรณ์ทดสอบที่เรียกว่า Calcimeter ซึ่งมีหลอดแก้วและใส่น้ำไว้ เมื่อมีกาซออกมาจากหินปูนก็จะไปแทนที่น้ำ โดยอ่านค่าเป็นปริมาตร ก็จะสามารถคำนวณค่า%คาร์บอเนตที่อยู่ในหินปูนได้ กรดที่ใช้ทดสอบนั้นนิยมใช้ HCl เจือจาง และน้ำส้มสายชู
 รูปภาพของชุด Calcimeter
จุด A คือกรดไฮโดรคลอลิก เมื่อหยดลงไปในภาชนะT ที่ใส่วัตถุดิบที่ต้องการจะหา %Carbonate เมื่อเกิดกาซ CO2 กาซจะไปแทนที่น้ำในหลอดแก้ว D และสามารถอ่านปริมาตรที่ถูกแทนที่เพื่อมาคำนวณหา %Carbonate ต่อไป
|
|
|
|
|
|
|
