Сырьевые материалы для производства керамических плит делятся на две основные группы:
- Глинистые (пластичные): мономинеральные (каолиновые глины), полиминеральные (иллитовые глины, бентонитовые глины, монтморилитовые глины);
- Неглинистые: отощающие добавки (кварцевый песок, шамот, шлаки, золы), плавни-флюсы (полевой шпат, доломит, магнезит, мел).
Пластичные (глинистые) материалы представлены глинами и каолинами.
Глина
Глина – это продукт земной коры, осадочная горная порода, образованная в результате разрушения скальных пород в процессе выветривания. Она представляет собой землистые, минеральные массы с размером частиц около 0,02 мм и часто менее 0,002 мм, способные с водой образовывать пластичное тело, при высыхании сохранять форму и после обжига приобретать твёрдость камня. Свойства глин определяются их составом – химическим, минералогическим и гранулометрическим. В число оксидов, составляющих глины, входят глинозём (Al2O3), кремнезём (SiO2), оксид железа (Fe2O3), оксид натрия (Na2O), оксид кальция (CaO), оксид магния (MgO), оксид калия (K2O). Изменение химического состава заметно отражается на свойстве глин:
- Глинозём повышает огнеупорность, и, следовательно, прочность;
- При повышенном содержании кремнезёма уменьшается связующая способность глин, повышается пористость, снижается прочность;
- Соединения железа понижают огнеупорность глин;
- Оксиды кальция и магния уменьшают огнеупорность, увеличивают усадку при обжиге и пористость, что снижает прочность и морозостойкость;
- Оксиды натрия и калия понижают температуру спекания глины.
Глины бывают мономинеральными и полиминеральными. В основном мономинеральные каолинитовые глины состоят из минерала каолинита.
Каолинитовые глины
Термин каолин (каолинит) происходит от китайского слова «као линг», что означает «Высокая Гора» – название месторождения данного типа глины в Китае, впервые использованное для производства керамики. Глины с преобладающим содержанием каолинита имеют светлую окраску, слабо набухают при взаимодействии с водой, характеризуются тугоплавкостью, малопластичны, малочувствительны к сушке. Наиболее известные месторождения каолина находятся в Англии (Корнуэлл, Девоншир), Германии (Мейсен, Хемниц, Галле), Франции, Чехии, на Украине, Урале, в Восточной Сибири, США и Китае (гора Као-Линг).
Иллитовые глины
Их название происходит от названия американского штата «Иллинойс», так как именно там был впервые найден этот тип глины. Наиболее известное месторождение – Апеннины. Технологические показатели иллитовой глины можно охарактеризовать как среднее между показателями монтмориллонитовой и каолиновой глин, то есть как точку равновесия по большинству характеристик. Иллитовая глина не вызывает проблем при сушке, механическая прочность сухого продукта на изгиб колеблется между 40 и 60 кг/см2, что дает возможность манипуляции с высушенным материалом без возникновения проблем с появлением трещин. При обжиге быстро происходит стеклование материала, начиная от 800оС в связи с высоким содержанием К2О.
Монтморилитовые глины
Их наименование происходит от названия французского города Montmorillon, где впервые был обнаружен этот тип глины. Состоят из минералов группы монтмориллонита. Для глин монтморилитовых характерна способность к разбуханию, особенно если в обменных катионах преобладает Na. Образуются в щелочной среде при разложении пеплов (подводном и наземном), выветривании известняковых почв, в морских засоленных бассейнов и лагунах, при гидротермальных процессах.
Технологические свойства глин
Помимо глинистых минералов, в состав глин входят неглинистые минералы: кварц, слюда, полевые шпаты, кальцит, магнезит и т.д. Минералогический состав определяет формовочную способность глиняного сырья, его поведение при обжиге и другие технологические свойства, характеризующиеся пластичностью, отношением к сушке и действию высоких температур. Очень тонкие частицы глины, благодаря своей большой поверхности, хорошо впитывают воду, поэтому глина гигроскопична и во влажном состоянии приобретает способность к пластическому формованию.
Пластичность
Характерное свойство глин образовывать при смешивании с водой тесто, которое под воздействием внешних условий может принимать заданную форму без образования трещин и сохранять это форму после прекращения действия усилий. Степень пластичности глины зависит не только от химического состава, но также от физических размеров и формы частичек глины (гранулометрический состав), от количества содержащейся в ней воды. Пластичность является важнейшим технологическим свойством глин, обуславливающим возможность формования из них изделий. Пластичность можно повысить добавлением высокопластичных глин и понизить добавлением непластичных материалов, например, кварцевого песка. Естественная пластичность глин может быть также повышена искусственно за счёт увеличения её дисперсности путём промораживания, отмучивания, вылёживания, а также механической обработки. Различают три сорта глин:
- Высокопластичные – вязкие, жирные, требуют много воды для того, чтобы стать легко формуемыми. Такие глины разрушаются при высокой температуре;
- Среднепластичные – золотая середина между двумя другими сортами;
- Низкопластиные – также называют тощими. Для создания пластичного тела из тощих глин требуется меньшее количество воды. Их достоинство – огнеупорность.
Рассмотрим такое свойство глин как огнеупорность.
Огнеупорность
Это свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не размягчаясь и не деформируясь. По огнеупорности различают глины огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огнеупорные глины (обжиг при температуре 1580 оС) отличаются высоким содержанием глинозёма (до 40 % и более) и незначительным содержанием примесей, понижающих огнеупорность (Fe2O3 не более 3 %). Глины с огнеупорностью от 1350 до 1580 оС называются тугоплавкими, ниже 1350 оС – легкоплавкими. При нагревании глин легкоплавкие составляющие расплавляются и, заполняя промежутки между твёрдыми зёрнами, за счёт сил поверхностного натяжения сближают их между собой. Это вызывает уплотнение и сокращение общего объёма материала, оцениваемое огневой усадкой. Огневая усадка тем выше, чем выше температура обжига. Процесс уплотнения глинистых масс при обжиге принято называть спеканием.
Отощающие добавки, плавни (флюсы)
И жирные, и тощие глины в естественном виде не годятся для применения в производстве. Они требуют соответствующей обработки – в зависимости от керамической массы увеличивают или уменьшают пластичность глины, улучшают сушильные и обжиговые свойства, сокращают продолжительность сушки и обжига изделия. Для этого используют так называемые отощающие добавки. К ним относятся песок, шамот, шлаки, золы.
Шамот – огнеупорная глина, обожжённая при температуре 1300 – 1400 оС с последующим измельчением. Применяется в качестве отощающего материала.
Глинам присуще такое свойство, как усадка, то есть уменьшение размеров без изменения формы. Различают воздушную усадку (при высушивании перед обжигом) и огневую при обжиге. Сушильные свойства – отношение материала к сушке. Важнейшее из них – воздушная усадка, то есть уменьшение в объёме глиняного тела при удалении воды. Выражается в % от первоначального размера образцов, составляет обычно 2 – 10 %. Воздушная усадка тем больше, чем выше пластичность глин.
Отощающие добавки вводят в пластичные глины для уменьшения усадки при сушке и обжиге и предотвращения деформаций и трещин в изделиях. К ним относятся шамот, шлаки, золы, кварцевый песок.
Плавни (флюсы) применяют для повышения спекания глины и снижения температуры спекания. К ним относятся полевые шпаты, доломит, магнезит, мел.
Основные виды глин
Для производства керамической плитки используют три основных вида глин: красную, белую, фарфоровую.
Красная глина имеет зеленовато-коричневую окраску, которую придаёт ей оксид железа, составляющий 5 – 8 % от общей массы. При обжиге глина приобретает красно-бурую окраску, чем выше температура обжига, тем черепок темнее; плитки носят название красножгущихся. Красная глина выдерживает нагрев не более 1150 оС. Из красной глины получают майоликовые плитки покрытые глазурью.
Белая глина во влажном состоянии светло-серая, а после обжига приобретает белёсый цвет или цвет слоновой кости. Чем выше температура обжига, тем белее черепок. Плитки из белой глины носят название беложгущихся. Белая глина менее пластичная и жирная, чем красная. Температура обжига 1150 – 1200 оС. Из белой глины с различными добавками – полевой шпат, кварцевый песок – получают фаянсовые плитки.
Фарфоровая глина состоит из каолина, кварца и полевого шпата. Она не содержит оксида железа. Во влажном состоянии имеет светло-серый цвет, после обжига – белый. Рекомендуемая температура обжига – 1200 - 1350 оС. Полученный в результате высоких температур глиняный материал обладает огнеупорностью, водостойкостью и механической прочностью. Из фарфоровой глины получают так называемые фарфоровые плитки или керамический гранит.
Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком или бисквитом. Некоторые виды керамических плиток для повышения санитарно-гигиенических свойств, водонепроницемости, эстетических качеств покрывают декоративным слоем – глазурью или ангобом.
В основу написания статьи легли материалы:
«Плитка керамическая: современная энциклопедия» сост. Сергеева Е.Е. компания Estima.