Роль пластичных отощающих компонентов и плавней в керамических массах

Министерство образования и науки Кыргызской Республики

Кыргызский Государственный Национальный Университет

им. Жусупа Баласагына

Факультет химии и химической технологии

 

 

 

 

 

Отчет

О самостоятельной работе

По дисциплине: «Основы технологии тугоплавких, неметаллических и силикатных материалов»

За 7 семестр 2014-2015 учебного года

На тему: Роль пластичных отощающих компонентов и плавней в керамических массах

 

 

 

                                                             Выполнила: студентка 4 курса

                                                                 группы ХТ-1-11 Жигалова Дарья

                                                     Проверил: Саркелов Ж.С   

 

 

 

 

 

 

Бишкек 2014

Содержание

Введение………………………………………………………………………….31. Отощающие материалы

2. Плавни

3.Технологические приемы, позволяющие обеспечить пластичность керамических масс различных типов

4. Технологические приемы, позволяющие обеспечить снижение усадки керамических масс при сушке и обжиге

5. Основные физико-химические  свойства керамических материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В современном мире и в строительстве очень широко применяются керамические материалы и изделия. Это обусловлено большой прочностью, значительной долговечностью, декоративностью многих видов керамики, а также распространенностью в природе сырьевых материалов.

Керамическими называют материалы и изделия, изготовляемые формованием и обжигом глин. «Керамос» - на древнегреческом языке означало гончарную глину, а также изделия из обожженной глины. В глубокой древности из глин путем обжига получали посуду, а позднее (около 5000 лет назад) стали изготовлять кирпич, а затем черепицу.

  В производстве изготовление керамических изделий осуществляется как из природных, так и из искусственных сырьевых материалов. В зависимости от выполняемой функции, основные компоненты керамической массы можно разбить на три группы:

• глинистые (пластичные);
• плавни (флюсы);
• отощающие (непластичные).

В данной самостоятельной работе будут рассмотрены отощающие материалы, плавни, технологические приемы, позволяющие обеспечить пластичность керамических масс различных типов, технологические приемы, позволяющие обеспечить снижение усадки керамических масс при сушке и обжиге, основные физико-химические свойства керамических материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Отощающие материалы

  Отощающие материалы — это добавки к пластичным материалам, снижающие пластичность и усадку масс при сушке и обжиге. Отощающие материалы вводят в керамические массы для регулирования их структурно-механических и технологических свойств. К ним относятся кремнеземистые материалы, шамот (обожженная глина), череп (бой) глазурованных и неглазурованных изделий.

  В керамической промышленности в основном применяют кремнеземистые материалы: жильный кварц, кварцевые пески, кварцевые отходы каолиновых обогатительных фабрик (побочный продукт), кварц из пегматитов, диатомит, трепел, а также бой изделий.

  Наиболее качественные отощающие материалы — жильный кварц и кварц из пегматитов. Их основная составляющая — кремнезем SiO2 — может быть в различных формах: α- и β-кварц, α-, β - и γ-тридимит, α- и β-кристобалит и кварцевое стекло. В процессе обжига керамических изделий кремнезем претерпевает модификационные превращения, которые существенно влияют на качество продукции, так как сопровождаются обратимыми изменениями объема изделий.

  Например, модификация кварца в виде γ -тридимита при температуре 117°С переходит в β-тридимит, при этом изделия увеличиваются в объеме на 0,2%; β-кристобалит при температуре 180...270°С переходит в α -кристоболит с увеличением в объеме на 2,8%; β-кварц при температуре 573°С в α-кварц с увеличением в объеме на 0,82%. Поэтому при обжиге в этих интервалах температур, особенно при температуре 573°С требуется определенная выдержка изделий без резкого, подъема температуры. В противном случае возможно их растрескивание.

  В качестве искусственных отощающих добавок применяют шамот и бой керамических изделий. Шамот поручают специальным обжигом огнеупорных глин с последующим их измельчением. Бой изделий в производстве художественной керамики используют также после предварительного измельчения.

2. Плавни

  Плавни — вещества, которые способствуют образованию при обжиге легкоплавких соединений и снижению температуры обжига изделий.

  Плавнями считаются материалы, которые при данном составе керамической массы раньше других переходят во время обжига в расплавленное состояние и служат растворителями для остальных компонентов. К ним относятся легкоплавкие материалы или те, которые, вступая во взаимодействие с другими компонентами, образуют легкоплавкие соединения. К первым причисляют полевые шпаты, ко вторым — карбонаты щелочноземельных металлов (кальция и магния).

  Полевые шпаты — широко распространенные породообразующие минералы, представляющие собой алюмосиликаты (Алюмосиликаты — материалы, содержащие оксиды алюминия и кремния.) щелочных и щелочноземельных металлов (ортоклаз - К2О • Аl2 О3 • 6SiO 2, альбит -Na2O • Аl2О3 • 6SiO2 , анортит — СаО • Аl2О3 • 2SiO2, цельзиан — ВаО • Аl2 О3 • 2SiO 2, нефелин — Na2O • Аl2О3 • 2SiO2 и др.). Эти минералы способны образовывать твердые растворы. Калиевый полевой шпат придает наибольшую вязкость расплаву, что уменьшает чувствительность керамических масс к перепаду температур.

  Полевые шпаты, «проросшие» кварцем, называются пегматитом.

  В производстве художественной керамики полевые шпаты применяют одновременно в качестве плавней и отощающих материалов.

  Использование полевого шпата как плавня основано на его способности плавиться при температуре 1200°С в очень вязкое стеклообразное тесто — полевошпатовое стекло, которое, заполняя все промежутки между частицами керамической массы, склеивают их и при охлаждении застывает с ними в монолитную массу.

  Полевые шпаты имеют различный цвет: красный, розовый, белый, серый. В качестве примесей в полевых шпатах присутствуют биотит, магнетит и др., которые окрашивают стекло и загрязняют его темной выплавкой — «мушкой».

  Карбонаты щелочноземельных металлов (кальция и магния) широко используют в производстве художественной керамики. К ним относятся: углекислый кальций СаСО3 — известняк, мел, мрамор; углекислый магний MgCO3 — магнезит; двойная углекислая соль кальция к магния СаСО3 • MgCO3 — доломит. Сами по себе эти карбонатные материалы не являются плавнями. Однако образующиеся в результате их разложения при температуре 800...1000°С оксиды кальция СаО и магния MgO вступают во взаимодействие с составляющими керамической массы, при этом получаются легкоплавкие соединения, которые, играя роль плавней, снижают огнеупорность и температуру спекания керамической массы. Однако при этом также уменьшается температурный интервал спекания массы, что создает опасность деформации изделий при обжиге и образования пузырей даже при незначительном превышении температуры или времени обжига.

Известняк — осадочная горная порода, состоящая главным образом из кальцита СаСО3 (56% СаО и 44% СО2). Различают известняки химического и органического происхождения. Примером известняков органического происхождения служит мел, в котором содержится 96...99% СаСО3. В качестве примесей в нем присутствуют оксиды алюминия, железа и кварц. Мел отличается от других известняков мягкостью (твердость по шкале Мооса — 1), тонкозернистостью, землистым изломом. Мрамор относится к известнякам химического происхождения.

  Мрамор — кристаллическая горная порода, состоящая в основном из кристаллов кальцита и доломита. В качестве примесей в нем присутствуют кварц, полевой шпат, рутил и др.

  Магнезит — кристаллическая горная порода, которая встречается в природе в аморфном и кристаллическом виде. Магнезит менее распространен, чем известняк; часто встречается в смеси с доломитом. Магнезиты применяют как флюсующую добавку при получении фарфоровых масс повышенной белизны и некоторых глазурей.

  Доломит — осадочная карбонатная горная порода; в природе встречается в виде крупно-, средне- и тонкозернистой твердой кристаллической породы, а также в виде более мягкой породы, называемой опокой. Цвет доломита светло-серый, иногда с желтоватым оттенком; твердость по шкале Мооса — 3,5...4,0. В качестве примесей в доломите присутствуют кальцит, магнезит, карбонаты железа, марганца и др.

  На завод доломит поступает в виде опоки. Доломит оказывает значительно более активное флюсующее действие, чем в отдельности СаСО3 и MgCO3 .

  Тальк — гидросиликат магния 3MgO • 4SiO2 • Н2О, мягкий материал (твердость по шкале Мооса — 1); содержит примеси оксидов алюминия, железа, кальция. Цвет талька белый. Присутствие оксида железа FeO окрашивает тальк в зеленый, а оксида железа в виде Fe2O3 — в бурый цвет. Добавки талька в керамическую массу повышают его устойчивость к изменению температуры. Его используют главным образом для изготовления тонкокаменных масс.

  Пирофиллит представляет собой мягкий материал, имеющий химический состав Аl2О3 • 4SiO2 • Н2О. По физико-химическим и технологическим характеристикам он подобен тальку. Применяют в производстве художественной керамики. Благодаря мягкости из него можно механической обработкой изготовить изделие, которое после обжига сохраняет свою форму и размеры и приобретает большую механическую прочность.

  Гусевский камень (вторичный кварцит) — твердая порода, состоящая в основном из кварца (50...60%), каолинита (20...30%), гидрослюды (до 6...10%) и примесей. После соответствующего обогащения вторичный кварцит может служить превосходным материалом для изготовления высококачественных фарфоровых изделий, отличающихся повышенной белизной (до 80%) и просвечиваемостью.

3.Технологические приемы, позволяющие обеспечить пластичность керамических масс различных типов

  Пластичностью определенного керамического изделия называется способность его сохранять заданную форму при обработке Очень пластичная глина поглощает много воды и увеличивается в объеме, но при избытке влаги пластичность снижается, и глина становится мягкой, пастообразной массой.

  Большинство применяемых для производства технической керамики исходных веществ является непластичными, например оксиды, некоторые силикаты, шпинели, титанаты, цирконаты, ферриты и др. Чтобы сформовать из порошков непластичных материалов изделие, необходимо придать им связность, т. е. ввести технологическую связку. Такая связка может быть впоследствии удаляемой, т. е. выполнять свою функцию только на стадии формования изделия, выгорая полностью при обжиге и не оставляя вредной для свойств изделия зольности. Таково подавляющее большинство технологических связок органического состава.

  Органические вещества или их растворы, которые придают керамическим массам свойства формуемостии определенную пластичность, часто называют пластификаторами, а процесс и результат их воздействия — пластификацией, что не совсем точно. Технологическая связка также может выполнять свою функцию на стадии формования, но оставлять в изделии неорганический остаток, который влияет при обжиге на формирование фазового состава изделия и соответственно на его свойства. Такую связку следует рассматривать как частично удаляемую. К такому типу связок следует отнести увлажненную глину, раствор фосфатов, кремнеорганиче – ские соединения, золы и тела неорганических соединений, некоторые органические и металлоорганические соединения и другие вещества. Как тот, так и другой тип связок применяют в производстве изделий технической керамики. Однако наибольшее распространение имеют временные технологические связки первого типа органического состава, так как они позволяют сохранить исходную чистоту изготовляемой технической керамики, что является в ряде случаев решающим обстоятельством.

  Кроме прямой задачи — связывания разрозненных частиц формуемых непластичных порошков в однообразное по структуре тело вводимые органические и неорганические связки могут выполнять и другие функции, например способствовать удержанию воды, про – являть антистатические и пеноГасйщие свойства. Известно, что некоторый тип бактерий способствует повышению пластичности и связности малопластичных масс. Органические добавки, временно вводимые в массы, применяются также для стабилизации водных шликеров и глазурей и улучшения их литейных свойств, улучшения прессовочных свойств порошковых масс полусухого прессования в целях интенсификации помола исходных материалов, обеспечения необходимой прочности отформованных заготовок во влажном и сухом состоянии и требуемой структуры пористой керамики за счет пено-или газообразования.

  Создание П. А. Ребиндером теории физико-химической механики дисперсных фаз способствовало развитию научных представлений о процессах формования изделий из керамических масс и выявлению основных факторов, влияющих на эти процессы. Для оценки реологических (формовочных) свойств керамических масс принято использовать такие параметры, как вязкость, модули быстрой и замедленной обратимой деформации, эластичность, время релаксации, пластичность.

  К временным технологическим связкам (какое бы они ни имели назначение) предъявляется ряд требований. Связки должны выгорать, не оставляя в изделии остатка (золы) или оставлять его в минимальных (безвредных) количествах. Связка также должна обладать способностью смачивать минеральные частицы керамического порошка, образуя при этом на поверхности частиц сорбционные пластично-вязкие оболочки. Связка должна иметь минимальную адгезию к поверхности металлических форм, не должна быть токсичной (и продукты ее разложения) и отравлять окружающую воздушную среду.

  При введении временной связки в увлажненную пастообразную керамическую массу она обволакивает, каждую частицу твердой фазы, образуя коагуляционную структуру, в которой связь между твердыми частицами образуется за счет молекулярных (вандер – ваальсовых) и ионных сил. Прослойка между твердыми частицами благоприятствует их взаимному передвижению, т. е. подвижности. При этом, если органическая связка имеет полярные молекулы, которые адсорбируются на твердых частицах, смачивание может улучшаться. В результате введения временной технологической связки у такой массы появляется пластичность.    Пластичность массы — свойство структурированной дисперсной системы из твердой и жидкой фаз принимать под влиянием внешнего воздействия желаемую форму и сохранять эту форму после прекращения внешнего воздействия. Введенная в массу определенной структуры связка придает присущие дисперсным системам структурно-механические свойства: прочность, упругость, вязкость, пластичность, — позволяющие формовать из них изделия.

  В настоящее время известно большое количество различных по составу и действию связок. Однако независимо от того, к какому классу соединений относится технологическая связка, какой имеет состав и какие физико-химические процессы происходят при ее введении в керамическую массу (а они различны), ее основное назначение остается всегда неизменным — придать массе свойства формуемости при изготовлении изделия и механической прочности, достаточные для дальнейших операций с отформованным изделием.

  По своей химической природе и свойствам технологические связки могут быть водорастворимыми или растворимыми только в органических жидкостях, быть твердыми или жидкими, иметь природное или синтетическое происхождение. Большинство’ применяемых в производстве керамики технологических связок органического состава является твердыми водорастворимыми веществами. Связующие свойства они приобретают, будучи растворены в воде и соответственно в органических жидкостях. Таким образом, воду также можно рассматривать как компонент технологической связки.

  Водорастворимыми органическими связками являются декстрин, крахмал, мука, поливиниловый спирт (ПВС), водорастворимые эфиры целлюлозы, например метилцеллюлоза (МЦ) и карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), гидрооксипропилцеллюлоза, гидрооксиэтил- целлюлоза, альгинат натрия и аммония и др.

4. Технологические приемы, позволяющие обеспечить снижение усадки керамических масс при сушке и обжиге

  Перед окончательной операцией - обжигом производят сушку отформованных керамических изделий. Сушка сводится к удалению влаги из сырца сухим воздухом.

  Сушка должна быть проведена таким образом, чтобы изделие не деформировалось в процессе сушки и после сушки не имело трещин. Это условие обеспечивается правильно выбранным режимом сушки, который в значительной степени зависит от характера глиняного сырья и такого свойства - чувствительности к сушке. Жирные глины, обладая большей пластичностью и связностью, плохо отдают влагу. Это приводит к тому, что скорость перемещения влаги из внутренних слоев к поверхности значительно меньше скорости удаления ее с поверхности изделия, т.е. не одинаковы.

  При испарении влаги из внутренних и поверхностных слоев сырого изделия происходит сближение частиц массы, уплотнение ее. В результате происходит уменьшение размеров изделия, т.е. усадка, такую усадку называют воздушной.

 Воздушная усадка. Относительная  воздушная усадка колеблется в пределах 2-8%. Величина усадки зависит от многих факторов и не является величиной постоянной.

На величину усадки влияет режим сушки: в условиях медленной сушки (например, при естественной сушке) величина усадки больше, чем при жестком режиме искусственной сушки.

Для уменьшения величины усадки и облегчения процесса сушки (исключения деформаций, трещин, сокращения срока сушки) в состав масс добавляют отощающие материалы, т.е. материалы, которые не обладают способностью впитывать и удерживать влагу. Такими материалами являются песок, шамот, дегидратированная глина (полуобожженная глина), малопластичные глины. Так как внутренние слои сырого изделия претерпевают меньшую усадку и мешают усадке внешних слоев, в результате внутренние слои сырца претерпевают сжатие, внешние слои - растяжение. Разница в усадке обуславливает возникновение больших внутренних напряжений, и на изделии образуются дефекты - трещины и деформации. К дальнейшей обработке такие изделия не пригодны. Деформации (коробления) возникают вследствие значительного перепада влажности внутренних и внешних слоев изделия, а значит и заметной разнице в их усадке. Появляются коробления в начальном периоде сушки, когда поверхностные слои изделия находятся в пластическом состоянии.

Трещины возникают вследствие значительного перепада влажности внутренних и внешних слоев изделия в конце сушки, когда изделие находится в кожетвердом состоянии. Чтобы обеспечить качественную сушку изделий, следует при формовании избегать разнотолщинности по объему изделия - стенок, кромок, дна. Для обеспечения одинаковой или почти одинаковой скорости удаления влаги с поверхности и внутренних слоев изделия необходимо использовать достаточно для формования изделий глиняную массу с хорошими влагопроводными свойствами.

Это достигается введением отощающих материалов, подбором соответствующего зернового состава, обеспечивающего достаточную капиллярность массы и ее влагопроводность. В начальном периоде сушки следует использовать насыщенный пар и влажный теплоноситель с невысокой начальной температурой и скоростью движения, по мере высыхания изделий влажность теплоносителя уменьшают, повышают его температуру и скорость движения. На качество сушки оказывает влияние также однородность глиняной массы по влажности, для формования целесообразно использовать массу с возможно меньшей влажностью.

В технологии керамических изделий обжиг является завершающей и наиболее ответственной стадией. В процессе обжига формируются наиболее важные свойства керамического материала: прочность, водостойкость, плотность, водопоглощение. Пороки обжига являются необратимыми дефектами в изделии - они не поддаются устранению. Дефекты обжига определяют качество готовой продукции, т.е. сортность и количество брака. В процессе обжига материала формируется и его окраска. В зависимости от назначения и характера обжигаемого материала обжиг ведут в один (стадий) или несколько приемов.

В технологии керамических изделий обжиг является завершающей и наиболее ответственной стадией.

Виды обжига Первый обжиг - утильный проводят для приобретения керамическим материалом основных свойств и закрепления формы перед глазурованием. Как правило, тонкостенные изделия глазуруют после утильного обжига. Второй обжиг — политой или глазурный, проводят для закрепления на черепке глазурного покрытия. Фарфоровые изделия во 2-ом обжиге приобретают все необходимые черепку свойства. Третий обжиг — декорированный — для закрепления на глазурованном материале декора, т.е. росписи керамическими красками.

Температура каждой стадии обжига выбирается (определяется) в зависимости от того, какие свойства необходимо сформировать, и от степени плавкости глазури. Так, керамические изделия из легкоплавких глин обжигают утельным обжигом до окончательной прочности, после глазурования - обжигают при более низкой температуре (глазурь легкоплавкая). Для фаянса - также основные свойства формируются при утельном обжиге. В процессе обжига в керамическом черепке протекают сложные физические, химические и физико-химические процессы. При нагреве глиняной массы из нее улетучивается оставшаяся после сушки физически связанная вода - до 100 °С. Затем, в результате прогрева массы (300-400°С) обугливаются и сгорают органические примеси (С), далее разлагаются карбонаты. Одновременно с этими процессами (500-600°С) из глины выделяется химически связанная вода.

При повышении температуры до 1000 - 1050°С (для легкоплавких глин) в массе образуется некоторое количество жидкой фазы - стеклообразной, которая при охлаждении обжигаемого керамического материала соединяет (цементирует, склеивает) частицы массы. В результате масса уплотняется и упрочняется. Этот процесс сопровождается огневой усадкой. Огневая усадка - происходит сокращение размеров абсолютно сухого глиняного изделия (образца) при его обжиге, колеблется в пределах от 2 до 8%.

5. Основные физико-химические свойства керамических материалов

  Керамические изделия делят на две группы - пористые и плотные. Первые характеризуются водопоглощением 5% и более, вторые - менее 5%. К пористым изделиям относят кирпич глиняный обыкновенный, пористый и пустотелый, пустотные стеновые камни, черепицу кровельную, облицовочные плитки и трубы; к плотным изделиям - плитки для полов и дорожный кирпич. Санитарно-техническая керамика включает как пористые (фаянс), так и плотные (санитарный фарфор) изделия.

  Высокая прочность, долговечность и большой ассортимент изделий дают возможность широко использовать их при строительстве во всех частях зданий - от фундамента до кровли, в результате чего требования к керамической промышленности со стороны народного хозяйства страны непрерывно возрастают. Керамические изделия, обладая рядом положительных качеств, имеют один существенный недостаток-- повышенную по сравнению с другими строительными материалами хрупкость.

  После обжига керамические изделия сразу получают требуемую поверхность как по цвету, так и по фактуре, которую можно сделать матовой (ангобированные изделия) или блестящей стекловидной (глазурованные изделия). Цветные керамические изделия можно получить добавлением в беложгущуюся глиняную массу окислов различных металлов, например железа, кобальта и др. При изготовлении облегченных керамических изделий с повышенной пористостью в сырую массу вводят порообразующие добавки (вещества, выделяющие при обжиге газ - углекислоту), а также вещества, выгорающие при обжиге.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

  Керамика является одним из древнейших материалов, используемых для изготовления посуды и художественных изделий. Керамические иделия должны быть прочными, удобными в пользовании, иметь красивый внешний вид.

  Свойства керамических изделий зависят как от состава применяемых масс, так и от технологических особенностей их производства. 

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

 

 

 

Список литературы

1. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хазов, - Л.: Химия, 1978..
2. Материаловедение: лекции / Мальцев И. М. - Ниж. Новгород: НГТУ, 1995
3. Новые материалы / под науч. ред. Ю.С. Карабасова, - М.: Мисис, 2002
4. Основы материаловедения / Сажин В.Б. - М.: Теис, 2005.
5. Г. Бурлаков. Основы технологии керамики и искусственных пористых заполнителей. М. Высшая школа. 1972.
6. Г. Иманов, В. Носов, Г. Смирнов. Производство художественной керамики. М. Высшая школа. 1985.