Trong sản xuất gốm sứ, bột thạch anh, hay nguyên liệu quartz, là một trong những nguyên liệu quan trọng trong thành phần phối liệu chính của sản phẩm. Nguyên liệu quartz có tác dụng điều chỉnh độ dẻo của bùn trong quá trình nung, bù đắp một phần tác động của sự co và độ trắng của phối liệu.  

Tuy nhiên, nguyên liệu quartz không phải là tài nguyên vô hạn. Thêm vào đó, nhu cầu đối với nguồn nguyên liệu này ngày càng cao do nó là bột độn chính cho nhiều sản phẩm như sơn phủ, vật liệu xây dựng, gốm sứ… Việc khai thác các mỏ thạch anh quá mức cũng gây ra nhiều hệ lụy môi trường. Trước thực tế này, các nhà khoa học thuộc Viện nghiên cứu sành sứ thủy tinh công nghiệp (Viện) đã triển khai đề tài “Nghiên cứu ứng dụng Silica siêu mịn từ tro trấu để giảm nhiệt độ nung trong sản xuất sứ dân dụng cao cấp”.

Đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu kỹ hơn các tác động của SiO2 từ tro trấu tới các tính chất của sứ dân dụng và đánh giá khả năng ứng dụng trong sản xuất gốm sứ.

Với mục tiêu ứng dụng SiO₂ siêu mịn từ tro trấu vào sản xuất gốm sứ dân dụng cao cấp, đề tài lựa chọn nguồn nguyên liệu được tổng hợp bởi Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam. Nguồn nguyên liệu này có độ trắng đạt 91,5%, xấp xỉ với mẫu quartz Q325 Ấn Độ (93%), phù hợp với mục tiêu đặt ra. Độ co toàn phần của SiO₂ siêu mịn từ tro trấu sau khi nung ở nhiệt độ 1250^oC là 33%, khá cao so với các loại nguyên liệu thường dùng trong sản xuất gốm sứ. Điều này đặt ra bài toán cần có những biện pháp giảm thiểu sự ảnh hưởng do độ co của SiO₂ siêu mịn từ tro trấu gây nên. 

Lợi điểm của SiO₂ siêu mịn, theo Chủ nhiệm đề tài, là “diện tích bề mặt riêng rất lớn, đạt 47.7 m²/g, lớn hơn 33.3 lần so với quartz Q325 Ấn Độ. Chứng tỏ nguyên liệu này có kích thước hạt rất nhỏ mịn, sẽ tạo ra được những hiệu ứng có lợi cho cấu trúc của gốm sứ.”

Chẳng hạn, qua phân tích SEM và XRD cho thấy gần như hoàn toàn silica ở trạng thái vô định hình, có hình thái dạng hạt và kích thước cỡ nanomet. Những hạt nano Silica kết tụ lại thành những cụm hạt sẽ tạo nên cấu trúc xốp, mịn của nguyên liệu. Với kích thước tròn, nhỏ, nó cũng dễ dàng phân bố đều trong phối liệu. Những điều này hứa hẹn làm tăng hoạt tính của SiO₂, tăng khả năng phản ứng, kết khối của sản phẩm và ảnh hưởng tới các tính chất khác. Trạng thái tồn tại vô định hình-tinh thể, hình dạng hạt là sự khác biệt căn bản nhất giữa nguyên liệu SiO₂ siêu mịn từ tro trấu và nguyên liệu quartz, và từ đó quyết định chính tới tính chất sản phẩm.

Từ thông số độ hút nước cho thấy khi nhiệt độ nung max thấp hơn 1310^oC thì phối liệu gốc chưa kết khối hoàn toàn, còn khi đạt 1310^oC thì phối liệu gốc đã kết khối hoàn toàn. Đồng thời, các thông số cơ lý khác của mẫu nung ở nhiệt độ này cũng đạt yêu cầu đối với sản phẩm sứ dân dụng cao cấp. Vì vậy, bài phối liệu gốc như đã lựa chọn sẽ được sử dụng làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả kiểm nghiệm các đặc tính sản phẩm với từng mẫu. 

Với lựa chọn như trên, sau khi nung mẫu bằng lò ga với môi trường nung khử thì độ trắng của cả mẫu R0 và R21 đều tăng lên. Trong đó độ trắng của mẫu R21 (hàng thứ hai) đã đạt đến 76.2%, vượt mức 75% theo yêu cầu đặt ra. Từ kết quả này, nhóm đề tài lựa chọn mẫu R21 sử dụng 2% SiO₂ siêu mịn từ tro trấu trong phối liệu, nung ở 1300^oC để tiến hành chế thử sản phẩm.

Qua sản xuất thử nghiệm, xét cùng một chế độ nung, sản phẩm sứ sử dụng 2% SiO₂ siêu mịn từ tro trấu có nhiệt độ nung giảm 10^oC so với sứ thông thường. Trong quy trình nung thì giai đoạn khử, khoảng 1000^oC đến nhiệt độ cao nhất, là giai đoạn tiêu hao nhiều nhiên liệu nhất, chiếm khoảng 60% tổng nhiên liệu trong quá trình nung. Với việc giảm được 10^oC sẽ giảm thời gian nung ở giai đoạn khử, tương đương giảm khoảng 2% lượng nhiên liệu tiêu tốn. 

Quá trình nung thực tế cho thấy sản phẩm sứ đề tài tiêu tốn 0,51 kg gas/kg sản phẩm, tức là giảm 0.01kg gas/kg sản phẩm so với phương pháp thông thường. Với quy mô sản xuất công nghiệp thì điều này có ý nghĩa lớn về mặt tiết kiệm năng lượng.

Từ những kết quả trên, nhóm đề tài kết luận nếu sử dụng nguyên liệu SiO₂ siêu mịn từ tro trấu trong đơn phối liệu sứ dân dụng cao cấp với hàm lượng >2% sẽ giảm được nhiệt độ nung, giảm chi phí năng lượng đáng kể khi ứng dụng sản xuất công nghiệp. Ngoài ra, phương pháp này sẽ giảm bớt áp lực khai thác nguyên liệu tự nhiên, tăng hiệu quả sử dụng phụ phẩm tro trấu.

Kết quả này mở ra hướng nghiên cứu tiềm năng cho việc hoàn thiện giải pháp sử dụng SiO₂ từ tro trấu thay thế nguyên liệu quartz trong sản xuất sứ. Nếu ứng dụng thành công, hướng đi này sẽ góp phần đáng kể giúp các doanh nghiệp trong nước giảm phụ thuộc vào nguyên liệu tự nhiên, cắt giảm chi phí sản xuất và nâng cao sức cạnh tranh so với các sản phẩm đến từ nước ngoài.

Từ những khám phá tích cực đó, các nhà khoa học của Viện đang đề xuất những nghiên cứu sâu hơn để hoàn thiện quy trình, tăng khả năng ứng dụng silica siêu mịn từ vỏ trấu vào sản xuất sứ dân dụng cao cấp trong tương lai. 

An Nhiên