Сырьевые материалы и керамические массы

Сырьевые материалы для производства керамических плит делятся на две основные группы:

1. Глинистые (пластичные): мономинеральные (каолиновые глины), полиминеральные (иллитовые глины, бентонитовые глины, монтморилитовые глины);
2. 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 800^оС 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:

1. Высокопластичные – вязкие, жирные, требуют много воды для того, чтобы стать легко формуемыми. Такие глины разрушаются при высокой температуре;
2. Среднепластичные – золотая середина между двумя другими сортами;
3. 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.