Технология производства керамических изделий. Свойства готовых керамик.

3. Основы производства керамики

Искусственный керамический материал, отформованный из глинистого сырья, получается в результате сложных физических, химических и физико-химических изменений, происходящих при обжиге, т.е. при воздействии высоких температур.

Производство керамических изделий включает следующие основные операции: приготовление массы, формование изделий, сушку, обжиг и декорирование.

Глинистые материалы выдерживаются после доставки на складах в течение двух лет, удается достичь сравнительной однородности массы как по гранулометрическому, так и по минеральному составу. Приготовление керамической массы осуществляется последовательным выполнением ряда технологических процессов; очистки сырья от вредных минеральных включений, дробления, размола, просеивания через сита, дозирования и смешивания.

Одной из важнейших операций при изготовлении керамических изделий является формование. Исходные материалы перетираются с водой до получения гелеобразной суспензии, которая затем формуется. Формуют изделия из пластических и жидких (шликер) керамических масс. В зависимости от влажности формовочной массы способы подразделяются на сухой (пресс-порошок имеет влажность 2 - 6 %), полусухой (смесь с влажностью 8 - 12 %),пластический (влажность массы 18 - 24 %) и литьевой (шликерный, влажность массы от 40 до 60 %).

Сухим способом изготавливают плотные керамические изделия: плитку для полов, некоторые виды кирпича, изделия из фаянса и фарфора. Полусухим способом выпускают изделия: кирпич, фасонные изделия, плитку. Наиболее экономичным и распространенным является способ пластического формования, этим способом получают: кирпич, камни, плитки, черепицу, трубы, фасонные изделия. Литьевым способом изготавливают керамические изделия сложно геометрической формы: сантехнические изделия (раковины, унитазы, писсуары и т.д.), которые декоративные изделия, плитку для внутренней отделки помещений.

В зависимости от способа изготовления влажность сырьевых смесей колеблется в широких пределах от 2 до 60 %. Удаление воды из отформованных изделий сопровождается усадочными деформациями и возникновением внутренних напряжений. Сырые изделия просушиваются. Сушка способствует повышению прочности керамических изделий, сформированных из пластической массы или отлитых из шликера. Сушку проводят в конвекционных (конвейерных, камерных и туннельных) и радиационных сушилках при температуре теплоносителя 120 - 150 °С до остаточной влажности 46 %.

После сушки изделия обжигают при 1200 °С или при более высокой температуре в случае повышенного содержания глины. Обжиг керамических изделий является одним из наиболее ответственных технологических этапов, во многом определяющих свойства получаемых материалов. В процессе обжига при температуре вблизи:

- 120 – 450 °С – происходит удаление связанной кристаллогидратной воды, каолинит превращается в метакаолинит;

- 1000 – 1200 °С – образуется соединение – силлиманит с игольчатыми кристаллами или тонковолокнистыми агрегатами.

- 1100 °С - медленно плавится полевой шпат. Он заполняет пустоты, что приводит к сжатию до 40 об.%. Затем начинаются реакции между минералами глины и полевым шпатом.

- 1200 – 1300 °С - метакаолинит разлагается на муллит и аморфный кремнезем.

В результате сложных физико-химических превращений, проходящих при высоких температурах, образовавшиеся минералы обеспечивают керамическим изделиям механическую прочность. Для обжига используются печи двух видов: туннельные (непрерывного действия) и горны (периодического действия). С учетом воздушной усадки суммарные деформации керамических изделий в процессе изготовления составляют 5 – 15 %. После обжига полученные изделия медленно охлаждаются.

Микроструктуру керамики после охлаждения можно сравнить с бетоном. Цемент и песок связывают крупные куски заполнителя – гравия. Стекло и муллит связывают частицы кварца. В фарфоре остается значительная пористость (до 20 %) и содержится много микротрещин. В производстве строительных материалов, таких как кирпичи и черепица, непосредственно используется естественная глина, которая наряду с названными тремя компонентами содержит и многие другие примеси. В производстве фарфоровых и фаянсовых изделий состав контролируется более тщательно, при этом применяются более чистые сорта глин, кремния и полевого шпата.

Керамические изделия могут быть неглазурованными и глазурованными. Глазурь – стекловидное защитно-декоративное покрытие на керамике, закрепляемое обжигом (прозрачное или непрозрачное, бесцветное или окрашенное). Глазурованные изделия могут быть одинарного обжига и двойного (на первично обожженное изделие наносится эмаль и оно подвергается повторному обжигу). Толщина пленки глазури 0,1-0,3 мм, толстый слой глазури уменьшает термостойкость изделия. Глазурь повышает водонепроницаемость черепка, предохраняет его от загрязнений, повышает механическую прочность и улучшает внешний вид изделия.

В результате различных вариантов сочетания технологических процессов (например, разовый или двойной обжиг), использования разного исходного материала, а также видов формовки производятся различные

виды керамических изделий, например, широкий выбор видов керамической плитки.

Декорирование изделий является завершающей стадией производства фарфоровых и фаянсовых изделий, глазурованных керамических плиток, заключающийся в нанесении на белье (неокрашенный полуфабрикат) специальных разделок ручным и полумеханизированным методом. Декорирование изделий проводят следующими способами:

- штамп – наиболее простой способ декорирования. Рисунок наносится резиновым штампом. Штамп служит дополнительным украшением к другим видам раскраски, например деколи, живописи;

- трафарет – наносят аэрографом при помощи пластин из тонкой жести или фольги, имеющие вырезы с контурами рисунка. Может быть одно- и многоцветным;

- деколь– основное место в декорировании изделий. Переносят рисунок на изделие при помощи переводной картинки, выполненной литографическим способом;

- печать – наносят на изделие с печатного оттиска на бумаге, при этом получают графический однокрасочный рисунок, который затем раскрашивают;

- крытье– сплошное, при равномерном покрытии краской; полукрытие – ширина покрытия от 20 мм и более; крытые с прочисткой, когда по сплошному крытью сделана прочистка рисунка;

- живопись – нанесение рисунка кисточкой или пером ручным способом;

- фотокерамика – рисунок в виде фотокопии видов городов, портретов людей;

- усик - круговая полоса краской или золотом, шириной до 1 мм; отводка – круговая полоска шириной 1-3 мм;

- лента – круговая полоска шириной более 3 мм; в зависимости от ширины подразделяют на узкую – 4-5 мм, среднюю – 6-9 мм и широкую – 10-13, буфетную – 15-16 мм, которую наносят на фаянсовую посуду.

В зависимости от характера расположения рисунков и их количества на изделии различают разделки «букет», «раскидные», «бортовые» и «сплошные».

4. Свойства керамических материалов

В результате обжига формируется структура материала (спекание) и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычнокерамика содержит 1 - 10 % стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако, стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделия.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. По этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как снижается механическая прочность материала. Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения, для ее получения применяют специфические технологические приемы.