Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu công nghệ sấy đối lưu với sản phẩm gốm mộc chế tạo bằng công nghệ ME có độ ẩm sau in là 22,37 % và độ dày sản phẩm 6 mm. Kết quả cho thấy độ ẩm tới hạn của phối liệu gốm mỹ nghệ là Wth=12,84%, quy trình sấy gồm giai đoạn sấy tăng tốc: nhiệt độ sấy 45°C; độ ẩm 90%; thời gian sấy 3h. Giai đoạn sấy đẳng tốc: nhiệt độ sấy 60°C; độ ẩm 60%; thời gian sấy 16h. Giai đoạn sấy giảm tốc: nhiệt độ sấy 90°C; độ ẩm 10%; thời gian sấy 5h. Tỉ lệ thu hồi sản phẩm gốm mộc đạt 100%.

Công nghệ in 3D theo phương pháp ME (material extrusion) được S. Scott Crump phát triển vào cuối những năm 1980. Đây là công nghệ sản xuất sản phẩm gốm mỹ nghệ dựa trên công nghệ có nguyên lý đùn ép phối liệu tạo thành dạng sợi liên tục theo từng lớp tạo nên vật thể. Do đó sản phẩm gốm mỹ nghệ tạo hình theo phương pháp này sẽ có độ ẩm lớn (20-25%). Sấy là bước cần thiết trước khi tiến hành nung sản phẩm nhằm tăng cường độ cơ học cần thiết cho sản phẩm mộc để xếp vào lò nung không bị biến dạng; ngăn chặn hiện tượng nứt, nổ sản phẩm [1].
Quá trình sấy dẫn đến sự thay đổi kích thước đầu tiên của sản phẩm. Sự thay đổi này gây ra ứng suất bên trong sản phẩm là nguyên nhân dẫn tới biến dạng hoặc nứt, nổ sản phẩm. Theo tác giả Michel Kornmann [2] các khuyết tật chính trong quá trình sấy bao gồm: cong vênh là do ngưng tụ không khí ẩm trên bề mặt vật liệu trong quá trình sấy giai đoạn đầu, vết nứt lớn là do tốc độ sấy cao, vết nứt nhỏ là do tốc độ sấy chưa phù hợp, vết ẩm trên bề mặt mộc là do thiếu thông thoáng khí ở một số vị trí nhất định. Khi sấy, chất ẩm tách khỏi sản phẩm mộc gồm hai quá trình tiến hành đồng thời: khuếch tán ẩm bên ngoài (dịch chuyển ẩm từ bề mặt sản phẩm mộc vào môi trường) và khuếch tán ẩm bên trong (dịch chuyển ẩm từ các lớp bên trong đến bề mặt sản phẩm mộc). Tốc độ khuếch tán ẩm bên ngoài có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi thông số của tác nhân sấy (nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc). Tốc độ khuếch tán ẩm bên trong phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và độ xốp của vật liệu. Tốc độ khuếch tán bên trong luôn nhỏ hơn tốc độ khuếch tán bên ngoài. Để kiểm soát quá trình sấy cần phải kiểm soát tốc độ khuếch tán ẩm bên trong và tốc độ khuếch tán ẩm bên ngoài. Để đạt được quá trình sấy tối ưu cần tìm biện pháp tăng tốc độ khuếch tán ẩm bên trong. Việc lựa chọn điều kiện sấy thích hợp, thông qua việc điều chỉnh các thông số của tác nhân sấy (nhiệt độ, độ ẩm) sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thời gian sấy, tiết kiệm năng lượng [3].
Thông thường quá trình sấy được phân thành ba giai đoạn tương ứng với các giai đoạn sấy tăng tốc, giai đoạn sấy đẳng tốc và giai đoạn sấy giảm tốc [4]. Giai đoạn sấy tăng tốc đặc trưng bằng khả năng tăng nhiệt độ vật liệu với sự biến đổi độ ẩm không lớn. Cuối giai đoạn này nhiệt độ bề mặt vật liệu duy trì không đổi và có cân bằng giữa lượng nhiệt hấp thụ bởi vật liệu và lượng nhiệt tiêu tốn để bốc hơi. Các tài liệu về quá trình sấy gốm sứ đều đưa ra chế độ sấy trong giai đoạn này nhiệt độ của tác nhân sấy không quá 500 C với hàm ẩm khoảng 90% [5] .Giai đoạn sấy đẳng tốc là tốc độ sấy sẽ giữ nguyên về giá trị bằng tốc độ bốc hơi từ bề mặt hở. Quá trình bốc hơi nước sẽ diễn ra trên bề mặt vật liệu, độ ẩm sẽ di chuyển từ phía trong lòng sản phẩm đi ra và do đó bề mặt vật liệu vẫn có độ ẩm. Áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu bằng áp suất riêng phần của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ bề mặt và không phụ thuộc vào độ ẩm vật liệu. Tác nhân sấy trong giai đoạn này có thể tăng lên nhưng độ ẩm tương đối giảm xuống [1].

Thực tế tại các nhà máy sản xuất gốm sứ hiện nay giai đoạn sấy tăng tốc, tác nhân sấy có nhiệt độ 600oC, độ ẩm tương đối 50-65%. Với giai đoạn sấy giảm tốc được thể hiện bằng tốc độ sấy giảm dần khi độ ẩm đạt tới độ ẩm cân bằng thì tốc độ sấy sẽ bằng 0, hay nói cách khác là không có hiện tượng giảm ẩm của vật liệu sấy nữa. Lượng nhiệt tiếp tục được cung cấp vào chỉ làm tăng nhiệt độ sản phẩm lên. Vì vậy nhiệt độ bề mặt sản phẩm so với nhiệt độ của tác nhân sấy đưa vào sẽ tiến tới gần nhau. Ở giai đoạn này, thể tích sản phẩm hầu như không đổi, lượng nước bốc hơi để lại lỗ xốp, sản phẩm không co nên có thể sấy nhanh được. Tuy nhiên do hình dạng phức tạp của sản phẩm, bề dày không đều, sự phân bố nguyên liệu gầy trong phối liệu dẻo không đồng nhất hoàn toàn gây khó khăn cho việc sấy nhanh. Để sấy sản phẩm mộc nhanh, an toàn, hiệu quả cần có chế độ sấy cho từng loại sản phẩm. Ngoài ra việc sấy khô sản phẩm mộc còn liên quan tới vấn đề tiêu thụ năng lượng. Vì vậy cần phải lưu ý đến công đoạn sấy, thiết lập chế độ sấy tối ưu về kỹ thuật và kinh tế, quá trình sấy không gây ra khuyết tật, thời gian sấy ngắn, tiêu thụ năng lượng riêng nhỏ. Phương pháp Bigot là phương pháp được sử dụng nhiều để nghiên cứu quá trình thay đổi trạng thái của phối liệu gốm sứ thông qua kiểm tra chiều dài và khối lượng mẫu khi sấy chậm trong điều kiện không đổi để đảm bảo độ co đồng đều [6-9]. Đường cong Bigot sẽ thể hiện mối quan hệ giữa độ co với độ ẩm của vật liệu sấy. Điểm mấu chốt là xác định hàm lượng nước mà với lượng nước nhỏ hơn độ co ngót trở nên không đáng kể, được gọi là độ ẩm tới hạn. Trước khi đạt được độ ẩm tới hạn, việc sấy khô phải được thực hiện cẩn
thận để tránh các khuyết tật. Nghiên cứu này thực hiện xây dựng chế độ sấy sản phẩm gốm mỹ nghệ chế tạo bằng phương pháp ME trên cơ sở xác định độ ẩm tới hạn.

Vật liệu: Phối liệu gốm mỹ nghệ được gia công qua các quá trình nghiền trộn và đùn ép. Thành phần khoáng và một số chỉ tiêu của phối liệu gốm mỹ nghệ như sau: Thành phần khoáng (quartz: 25-27%; microline:23-25%; kaolinite: 14-16%; muscovite:15-17%; pyrophylite: 7-9%; dolomite: 5-7%; albite: 4-6%); độ dẻo: 10,3; cỡ hạt (d50): 6,6µm; độ ẩm: 22,37%. Xác định độ ẩm tới hạn: Độ ẩm tới hạn của vật liệu được xác định trong điều kiện sấy mẫu có kích thước 12x20x150 mm (được đánh dấu mẫu với các khoảng cách 120mm ) trong tủ sấy với nhiệt độ 60°C, độ ẩm 60%. Sau từng khoảng thời gian xác định lấy mẫu và đo lại kích thước của các dấu mẫu và khối lượng của mẫu. Độ co của mẫu nghiên cứu tại một thời điểm trong quá trình sấy dựa trên khoảng cách giữa các vạch dấu mẫu tại mỗi thời điểm trong quá trình sấy (Lt ) và khoảng cách của vạch dấu mẫu khi khô (Lđ ). Độ co ngót được xác định theo công thức sau: Yt = (Lt -Lđ )/Lt x100% (1). Đại lượng độ co được xác định khi sấy nhằm tìm kiếm điểm độ ẩm của mẫu nghiên cứu mà tại đó kết thúc quá trình co rút sản phẩm. Độ ẩm của mẫu tại một thời điểm trong quá trình sấy (Wt ) dựa trên lượng nước có trong mẫu tại thời điểm t (gt ), được xác định theo công thức: Wt = (gt -gđ )/gt x100% (2). Từ các số liệu độ co và kích thước mẫu trong quá trình sấy vẽ đường cong Bigot, xác định độ ẩm tới hạn Wth. Xác định thời gian sấy từng giai đoạn: Mẫu mộc xác định thời gian sấy có hình dạng dị hình được tạo hình trên máy in V4 Scara với kích thước cao 450 mm, đường kính 350 mm, độ dày 6mm, khối lượng 4,5 kg. Thời gian sấy tăng tốc: Đặt sản phẩm lên trên tấm kê phẳng đưa vào trong tủ sấy. Bật tủ sấy tại 45°C, độ ẩm 90% trong các khoảng thời gian (1h, 2h, 3h, 4h). Sau đó, tăng nhiệt độ tủ sấy lên 60°C, độ ẩm 60% lưu 2h. Kiểm tra bề mặt sản phẩm sau sấy và lựa chọn thời gian sấy giai đoạn tăng tốc. Thời gian sấy đẳng tốc: Đặt sản phẩm lên trên tấm SiC phẳng đã rắc bột nhôm chống dính đưa vào trong tủ sấy. Bật tủ sấy tại 45°C, độ ẩm 90% lưu 3h. Tăng nhiệt độ sấy lên 60°C, độ ẩm 60% trong các khoảng thời gian 13-18h (tính từ khi đạt nhiệt độ 600 C, độ ẩm 60%) và xác định khối lượng mẫu, xác định được thời gian mẫu đạt được độ ẩm tới hạn Wth. Thời gian sấy giảm tốc: Đặt sản phẩm lên trên tấm kê phẳng đã rắc một lớp cát mỏng đưa vào trong tủ sấy. Bật tủ sấy tại 45°C, độ ẩm 90% lưu 3h. Tăng nhiệt độ sấy lên 60°C, độ ẩm 60% trong các khoảng thời gian 16h. Tăng nhiệt độ tủ sấy lên 90°C, độ ẩm 10% trong các khoảng thời gian 1-4h và xác định khối lượng, xác định được thời gian mẫu đạt độ ẩm 1-3%.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả quá trình sấy phối liệu gốm mỹ nghệ Độ ẩm tới hạn của phối liệu (Wth):

Wth là điểm tới hạn trong quá trình sấy. Trước khi đạt được điểm này các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm không khí sấy phải được thiết lập chậm để tránh biến dạng hoặc hình thành vết nứt. Kết quả khối lượng mẫu vật liệu và chiều dài mẫu khi sấy tại nhiệt độ 60°C với thời gian khác nhau được thể hiện trong bảng 2. Từ những số liệu tại bảng 1, đường cong Bigot được xây dựng như hình 1, độ ẩm tới hạn của mẫu là 12,84%. Dưới độ ẩm tới hạn, mẫu co rất ít (khoảng 1%) Các giai đoạn sấy phối liệu gốm mỹ nghệ: Dựa trên quá trình co mẫu theo thời gian (hình 2) có thể thấy quá trình co mẫu mộc gốm mỹ nghệ trải qua ba giai đoạn. Giai đoạn đầu sau khi mẫu tạo hình xong, mẫu co nhanh, độ co giảm 1% chỉ trong 15 phút. Tương ứng với đó, độ ẩm của mẫu giảm từ 22,37% xuống 21,32%. Giai đoạn thứ hai tốc độ co của mẫu ổn định kéo dài tới khi mẫu đạt gần tới độ ẩm tới hạn. Giai đoạn thứ ba tốc độ co mẫu giảm, được tính từ giai đoạn sau khi mẫu đạt được độ ẩm tới hạn tới khi mẫu không còn hiện tượng co rút.

3.2.Chế độ sấy sản phẩm Xác định thời gian sấy tăng tốc:

Thời gian sấy sản phẩm được bắt đầu từ lúc kết thúc của quá trình in, sản phẩm được mang đi sấy ở mức nhiệt độ là 450 C. Kết quả xác định thời gian sấy sản phẩm in 3D giai đoạn sấy tăng tốc ở nhiệt độ 450 C được thể hiện trong bảng 2. Khi thời gian sấy mẫu giai đoạn tăng tốc từ 1-2h sau đó chuyển sang luôn giai đoạn sấy đẳng tốc, mẫu đều gây ra hiện tượng nứt nhỏ tại chân. Khi thời gian sấy mẫu tăng lên từ 3-4h thì hiện tượng trên không còn. Thời gian sấy giai đoạn tăng tốc là 3h

Xác định thời gian sấy giảm tốc sản phẩm in 3D: Sau thời gian sấy đẳng tốc tiến hành tăng nhiệt độ cho quá trình sấy đẳng tốc ở mức 900 C. Quá trình được khảo sát cần nằm trong khoảng giới hạn ẩm cho phép (1-3%). Kết quả xác định thời gian sấy sản phẩm in 3D giai đoạn sấy giảm tốc ở nhiệt độ 900 C được thể hiện trong bảng 4. Thời gian sấy giai đoạn sấy giảm tốc đạt 5h và 6h cho độ ẩm tương đối của mẫu đạt 2,81% và 1,7% đều nằm trong giới hạn ẩm cho phép 1-3%. Trong đó thời gian 5h cho thời gian ngắn hơn, do đó thực hiện lựa chọn thời gian sấy 5h cho giai đoạn sấy giảm tốc.

4. KẾT LUẬN

Sản phẩm gốm mỹ nghệ được chế tạo bằng công nghệ in 3D đã xác định được độ ẩm tương đối tới hạn Wth của phối liệu là 12,8%. Quy trình sấy cho một sản phẩm đặc thù được in bởi máy in 3D gồm 3 giai đoạn sấy: Giai đoạn sấy tăng tốc: nhiệt độ sấy 45°C; độ ẩm 90%; thời gian sấy 3h. Giai đoạn sấy đẳng tốc: nhiệt độ sấy 60°C; độ ẩm 60%; thời gian sấy 16h. Giai đoạn sấy giảm tốc: nhiệt độ sấy 90°C; độ ẩm 10%; thời gian sấy 5h. Tỉ lệ thu hồi đạt 100% sản phẩm không lỗi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Huỳnh Đức Minh và Nguyễn Thành Đông, Công nghệ gốm sứ. 2009, Hà Nội Việt Nam: NXB Khoa học và kỹ thuật.
2. Kornmann, M., Matériaux de construction en terre cuite, fabrication et propriétés. 2005.
3. Siham, O., Drying behaviour of ceramic green bodies: experimental characterization and numerical modeling. 2019, PhD Thesis. Université de Limoges.
4. Scherer, G.W., Theory of Drying. Journal of the American Ceramic Society, 1990. 73(1): p. 3-14.
5. Phạm Xuân Yên, H.Đ.M., Nguyễn Thu Thủy, Kỹ thuật sản xuất gốm sứ. 1995.
6. Oummadi, S., et al., Optical method for evaluation of shrinkage in two dimensions during drying. Open Ceramics 2020. 2.
7. Mancuhan, E., et al., Experimental investigation of green brick shrinkage behavior with Bigot’s curves. Drying Technology, 2016. 34(13): p. 1535-1545.
8. Pardo, F., M.M. Jordan, and M.A. Montero, Ceramic behaviour of clays in Central Chile. Applied Clay Science, 2018. 157: p. 158-164.
9. Miranda, S.d., et al., Ceramic sanitary wares: Prediction of the defromed shaped after the production process. Journal of Materials Processing Technology, 2015. 215: p. 309-319.