Свойства керамических материалов

ЛЕКЦИЯ №4

ТЕМА: ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ

РАЗНОВИДНОСТИ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ, ЕЕ СВОЙСТВА. ПОЛУЧЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ.

ПЛАН

1.Сырье

2.Основы технологии

3.Номенклатура керамических материалов

4.Свойства керамических материалов

СЫРЬЁ

Кера́мика (др.-греч. κέραμος — глина) — изделия из неорганических материалов (например, глины) и их смесей с минеральными добавками, изготавливаемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением^[1].

В узком смысле слово керамика обозначает глину, прошедшую обжиг.

Сырьевыми материалами для производства керамических изделий являются каолины и глины, применяемые в чистом виде, а чаще в смеси с добавками (отощающими, порообразующими, плавнями, пластификаторами и др.).

Под каолинамии глинамипонимают природные водные алюмосиликаты с различными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камнеподобное состояние. В глинах могут быть примеси, снижающие температуру плавления: карбонат кальция, полевой шпат. Камневидные включения карбоната кальция являются причиной появления "дутиков" и трещин в керамических изделиях, получившегося при обжиге. Часто встречающаяся примесь оксида железа придает глине привычную красную окраску. Вообще же окраски глин весьма разнообразны: от белой, коричневой, зеленой, серой до черной.

Окраска глин зависит от примесей как минерального, так и органического происхождения, богатых углеродом.

Бентонитаминазывают высокодисперсные глинистые породы с преобладающим содержанием монтмориллонита. Содержание в них частиц размером меньше 0,001 мм достигает 85…90%.

В состав глин входят различные оксиды (AI₂ O₃, SiO2, Fe₂ O₃, CaO, Na₂ O, MgO и K₂ O), свободная и химически связанная вода и органические примеси.

Глина, замешанная с определённым количеством воды, образует глиняное тесто, обладающее связностью и пластичностью, способное в процессе обжига образовывать прочный искусственный камень.

Технология производства керамических материалов связана с характеристиками используемых глин (огнеупорность; содержание AlO и красящих оксидов в прокалённом состоянии, водорастворимых солей, включений размером более 0,5 мм; размер включений; пластичность; температура спекания; содержание свободного кремнезёма; механическая прочность).

Сырьевые материалы, применяемые в основном для изготовления керамического черепка, можно разделить на три группы:

1) пластичные материалы(глины, каолины, бентониты); непластичные материалы(отощающие);

2) отощающие материалы;

3) плавни (флюсы).

К пластичным материаламотносят глины, каолины и некоторые другие, например бентонит. Эти материалы набухают в увлажненном состоянии и способны при определенном количестве воды под действием внешних сил (например, рук) принимать ту или иную форму и сохранять ее, а после сушки и обжига приобретать камнеподобную структуру.

К непластичным материалам относятся отощающие материалы и плавни (флюсы). Под отощающими подразумевают каменистые материалы, например кварц, кварцевый песок, шамот и др. Они в основном препятствуют сокращению размеров глинистого изделия при сушке и обжиге.

К плавням (флюсам) относят материалы, плавящиеся по сравнению с указанными выше при более низкой температуре, а также материалы сами по себе тугоплавкие, но могущие давать, находясь в контакте с глинистыми и другими веществами, легкоплавкие массы способные в какой-то мере остекловывать черепок. Это полевые шпаты и иные материалы (собственно плавни), а также кварц и др. С другой стороны, эти материалы на определенных стадиях изготовления изделия (например, при формовании и сушке) необходимо учитывать как отощающие материалы, не набухающие в воде и непластичные (например, полевой шпат).

Отощающие добавки. В высокопластичные глины, для затворения которых требуется большое количество воды (до 28%) и которые поэтому дают большую линейную усадку при сушке и обжиге (до 15%о), необходимо вводить отощающие добавки, т. е. непластичные вещества. При этом значительно уменьшается количество воды, необходимой для затворения глиняного теста, что сокращает усадку (до 2-6%).

В качестве отощающих добавок чаще всего применяют вещества неорганического происхождения: кварцевый песок, шамот (обожженная и измельченная глина), бой изделий, молотый шлак и золу. Эти добавки не только уменьшают усадку изделий, но и улучшают формовочные свойства массы, делают более легким технологический процесс производства и устраняют брак.

Выгорающие добавки. Для получения изделий с меньшей средней плотностью и повышенной пористостью применяют органические выгорающие добавки. Наиболее часто используют древесные опилки, угольную мелочь и угольный порошок, торфяную пыль и др. Применяют также вещества, выделяющие при высокой температуре обжига углекислоту, что ведет к образованию пор, мел, доломит и глинистый мергель (в молотом виде). Все эти добавки обладают также и свойствами отощающих добавок.

Специальные добавки. Для придания керамическим изделиям специальных свойств вводят соответствующие добавки. Так, при изготовлении кислотоупорных изделий и облицовочных плиток к глинам добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом или щелочами. При необходимости понижения температуры обжига некоторых изделий используют молотый полевой шпат, руды, содержащие железо, песчаник, и др.

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

Основные технологические операции при производстве керамических материалов включают:

· добыча

· подготовка сырья

· дозировка

· перемешивание

· формование(пластическим, жестким, полусухим, сухим и шликерным способом);

· сушка

· обжиг

В процессе обжига образуется структура керамического материала, определяющая его свойства, в том числе прочность. Возможные дефекты при обжиге необратимы. Например, при отклонении от оптимальной для данного материала температуры обжига может быть пережог, при этом происходят потеря формы, оплавление поверхности. При недожоге ухудшаются основные показатели эксплуатационно-технических свойств.

Обработка лицевой поверхности керамических материалов связана с их видом и производится различными технологическими способами, среди которых выделяют: механическую обработку, ангобирование, глазурование, сериографию, шелкографию.

Механическая обработка предполагает использование специальных приспособлений, позволяющих получать рельефный рисунок в процессе формования материала или после него.

Ангобирование – нанесение механическим способом на лицевую поверхность белых или цветных жидких глиняных масс толщиной 0,25 – 0,4 мм. После обжига образуется матовое покрытие.

Глазурование– покрытие различными способами слоем жидкой глазури толщиной 0,15 – 0,3 мм. Глазури, состоящие из кварца, полевогошпата, каолина и других компонентов, образуют после обжига стекловидный слой, отличающийся блеском. Реже применяют глазури, позволяющие получать матовую фактуру – со слабым блеском.

Способ сериографиипредполагает изготовление по фотоснимку рисунка сетки-трафарета, с помощью которой красящий состав наносят на материал, затем изделие глазуруют и обжигают.

Шелкография– нанесение орнаментированного рельефа глубиной до 1 мм при прессовании материала металлическим штампом с рисунком. Рельефный рисунок может быть получен также при пульверизации глазури на металлический трафарет, который устанавливают на высушенный материал.

НОМЕНКЛАТУРА

Керамические изделия объединяют: по производственно отраслевому признаку, свойствам и технологическим особенностям.

По производственно-отраслевому признакукерамические изделия подразделяют на следующие виды:

· архитектурно-строительная,

· электротехническая,

· химически стойкая,

· бытовая,

· архитектурно-художественная,

· огнеупорная керамика.

К архитектурно-строительной керамике относят стеновые материалы (кирпич, стеновые камни и др.), кровельные материалы (черепица), фасадно-облицовочные материалы (плитки, лицевой кирпич), плитки для полов, облицовочные плитки для интерьера зданий, санитарно технические изделия, клинкерный кирпич, канализационные трубы, дренажные трубы, кислотоупорный кирпич и др.

К электротехнической керамике – высоковольтные и низковольтные изоляторы, фарфоровую электроарматуру и другие изделия.

К химически стойкой керамике (так называемая каменная масса) – кирпич, плитки для футеровки химической аппаратуры и строительных целей и др.

К изделиям бытовой керамики – хозяйственный фаянс, фарфор (различную посуду: чайную, столовую, кухонную), а также художественно-декоративные изделия (вазы, скульптура малых форм, сувениры).

Архитектурно-художественная керамика – это панно, вставки, рельефы, камины, садово-парковая керамика (крупные вазы, скульптура, объёмные композиции, фонтаны).

К огнеупорной керамикеотносят материалы для футеровки печей, приготовления капселей и др.

Предлагаемая классификация является общепринятой и отражает назначение изделий.

По свойствам керамические изделия разделяют в зависимости от степени спекания и пористости. Пористость и степень спекания изделий зависят в основном от состава сырья и режима обжига, а также от способов обработки. Это терракота, майолика, фаянс, фарфор, каменные массы.

Терракота– это керамическое изделие не покрытое глазурью, имеет пористую структуру и цвет от бледно-бежевого до насыщенного кирпично-красного, цвет черепка зависит от количества примесей железа. Обжиг до 950–1100°С.

Лучшими исходными материалами для терракоты являются естественно окрашенные тугоплавкие глины, свободные от растворимых солей, дающие после обжига пористый, равномерно окрашенный материал, обладающий незначительной усадкой. Большую роль при обжиге терракоты играет газовая среда печи, где ведётся обжиг, а именно: при наличии слабо восстановительной газовой среды материал приобретает серый цвет, резко выраженной – черный, при наличии окислительной газовой среды глина, содержащая соединения железа, придаёт материалу после обжига красный цвет. Степень окраски терракотового материала усиливается с повышением температуры обжига.

Отощающим материалом для производства терракоты служит тонкомолотый шамот, вводимый в глину только в случае её большой усадки. Для каждого цвета терракоты должен выдерживаться определённый режим обжига во избежание получения нежелательного оттенка.

Терракота находит широкое применение в изделиях бытового, стро­ительного и художественного назначения, например вазы, изразцы, фи­гурные части архитектурной отделки, садово-парковая скульптура и т.п.

Майолика– изделия из гончарной глины, покрытые цветными глазурями или эмалями. Для изготовления майолики используют легкоплавкие глины в чистом виде или с вводом отощающих и флюсующих добавок. Наиболее часто в состав майоликовых масс вводится кварцевый песок, мел или известняк, так как SiO₂ и CaO способствуют образованию прочной связи майоликового черепка с глазурью, кроме того, снижается усадка изделий. Часто майоликовые изделия покрывают слоем белой глины – ангоба, скрывающего натуральный цвет черепка.

Обжигается глиняная майолика дважды: 1-й обжиг проходит при температуре 800–850ºС, 2-й, глазурный, – при 960–1050ºС.

Низкая температура глазурного обжига майолики позволяет использовать для декорирования широкую палитру цветных глазурей и эмалей. С целью обеспечения постоянных технологических свойств майоликовых масс и высокого качества изделий, изготовляемых из нестабильного по составу местного глинистого сырья, некоторые заводы вводят в массы 5–6 и более разновидностей глин.

Фаянспредставляет собой тонкокерамические изделия из беложгущихся глин. Имеет пористую мелкозернистую структуру, не просвечивает, в неглазурованном виде впитывает и пропускает воду. Обжиг двукратный: 1-й – при температуре 1250–1280°С, 2-й – 1100–1140°С.

СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Эксплуатационно-технические свойства керамических материалов непосредственно связаны с характером их структуры, образующейся в процессе обжига.

Выделяют материалы с пористым и плотным черепком. Большинство керамических материалов имеют пористую структуру (кирпич, черепица, плиты и плитки для облицовки стен). Пористость их обычно более 30%. Номенклатура материалов с плотным черепком ограничена. К ним относятся, например, кислотоупорный кирпич, фарфоровые изделия.

Прочность керамических материалов также связана с пористостью их структуры. Так, различают следующие марки кирпича керамического в зависимости от предела прочности при сжатии в кгс/см²: 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300. Но кирпич дорожный – материал с плотным черепком – имеет более высокие марки – 400, 700, 1000.

Эстетические свойства керамических материалов связаны с видом и составом используемого сырья (в первую очередь глину), параметрами различных технологических переделов и могут регулироваться в процессе производства.

Большинство месторождений глин содержит оксиды железа в количестве, обеспечивающем керамическим стеновым материалам различные оттенки красного цвета. При наличии в глинах большого количества известковых включений изделия приобретают светло-коричневые и бежевые тона. Добавляя в глиняную массу из светложгущихся глин минеральные красители, можно получать керамические изделия разных цветов и оттенков. Красные тона получаются при наличии оксидов железа, коричневые – марганцевых руд, серые – хромистых. Цвет изделия заметно изменяется при добавлении к светложгущейся глине обычного легкоплавкого суглинка. При обжиге изделия могут приобретать также темно-серый или даже чёрный цвет.

Рельефный рисунок получают при обработке лицевой поверхности керамических стеновых материалов в процессе формования специальными валиками, щётками, гребёнками или горизонтальными струнами. Применяют валики с тупыми или острыми выступами щетки из грубой или тонкой проволоки. Для отделки материалов, имитирующей древесную кору, используют горизонтальную струну, срезающую тонкий слой с поверхности глиняного бруса, с помощью стержней разделяют срезанный слой глины на продольные равные волокна, затем гладким валиком прижимают образовавшиеся волокна к брусу.

Керамические стеновые материалы отделывают также методом торкретирования сухой минеральной крошки на лицевую поверхность. Минеральная крошка вдавливается в тело глиняного бруса, образуя оригинальные зернистую фактуру и цвет. Для торкретирования можно использовать кварцевый песок, шамот, бой стекла, отходы производства фарфора и фаянса, керамических плиток.

Санитарно-технические изделия покрывают прозрачной или глухой (белой или цветной) глазурью. Их эстетические характеристики связывают, в частности, с белизной, вызываемой рассеянным отражённым светом.

При оценке внешнего вида керамических материалов фиксируют размеры и возможные дефекты. На лицевой поверхности кирпича и камня лицевого не допускаются отколы. В том числе от известковых включений и другие дефекты, видимые с расстояния 10 м на открытой площадке при дневном освещении.

Санитарно-технические изделия не должны иметь отклонений от заданной формы.

В зависимости от вида дефектов изделия оценивают с помощью металлических измерительных инструментов, контрольных шаблонов, мерного увеличительного стекла и визуально.

Оценка эффективности керамических материалов в архитектуре связывается с положительным опытом их применения в течении многих лет. С эстетической точки зрения важны ощущения чистоты глазурованных изделий, «теплоты» материалов красного цвета различных оттенков, «штучности» керамического кирпича, плиток и плит, оставляющей впечатление «ручной» работы.

Следует отметить, что керамические материалы экологически безопасны.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите основные сырьевые материалы для производства керамических изделий.

2.Коротко характеризуйте сырьевые материалы.

3.Перечислите основные технологические операции в производстве керамических изделий.

4.Какими свойствами обладают керамические изделия:

ЛИТЕРАТУРА