KERAMICKÉ MATERIÁLY. Jozef Vlček

KERAMICKÉ MATERIÁLY Jozef Vlček

2013

OBSAH 1. ZÁKLADNÍ POJMY .................................................................................... 5 1.1

Keramika ..................................................................................................................... 5

1.2

Rozdělení keramických materiálů z hlediska účelu použití ........................................ 5

1.3

Zkratky používané v oboru keramiky.......................................................................... 6

1.4

Chemické a fázové složení keramických materiálů .................................................... 7

2. SUROVINY PRO VÝROBU KERAMIKY ............................................... 8 2.1

Oxid křemičitý SiO2 .................................................................................................... 9

2.2

Oxid titaničitý TiO2 ................................................................................................... 11

2.3

Oxid zirkoničitý ZrO2 ................................................................................................ 12

2.4

Oxid hlinitý Al2O3 ..................................................................................................... 13

2.5

Oxid boritý B2O3 ....................................................................................................... 15

2.6

Jílové minerály a soustava SiO2 – Al2O3 ................................................................... 15

2.7

Živce .......................................................................................................................... 20

2.8

Křemičitany hořečnaté ............................................................................................... 22

2.9

Forsterit ...................................................................................................................... 22

2.10 Uhličitany .................................................................................................................. 22

3. TECHNOLOGIE VÝROBY KERAMIKY .............................................. 24 3.1

Příprava směsí k tvarování ........................................................................................ 25

3.2

Tvarování keramických materiálů ............................................................................. 26

3.3

Sušení keramiky ........................................................................................................ 30

3.4

Výpal keramiky ......................................................................................................... 33

4. KERAMIKA NA BÁZI JÍLOVÝCH SUROVIN .................................... 36 4.1

Porcelán ..................................................................................................................... 37

4.2

Pórovina ..................................................................................................................... 39

4.3

Kamenina ................................................................................................................... 40

4.4

Cihlářské výrobky...................................................................................................... 40

4.5

Povrchová úprava keramiky ...................................................................................... 42

POKYNY KE STUDIU 

KERAMICKÉ MATERIÁLY

Pro předmět Keramické materiály 4. semestru studijního oboru Tepelná technika a keramické materiály jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu.

Prerekvizity Pro studium tohoto předmětu nejsou stanoveny žádné prerekvizity.

Cílem předmětu a výstupy z učení Cílem předmětu je předat studentům primární teoretické znalosti z oboru keramických materiálů, v rozsahu od definování základních vstupních surovin a metod jejich úprav, technologie výroby keramických materiálů až po prezentaci jejich základních vlastností a zásad jejich užívání v praktických podmínkách.

Po prostudování předmětu by měl student být schopen: - poznat klasifikační znaky keramických materiálů - poznat základní rozdělení a vlastnosti keramických materiálů - porozumět základům technologie výroby keramických materiálů - rozhodovat o aplikaci keramických materiálů - aplikovat získané poznatky v procesech technologie výroby keramických materiálů

Pro koho je předmět určen Předmět je zařazen do bakalářského studia oborů Tepelná technika a keramické materiály studijního programu Metalurgické inženýrství, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňuje požadované prerekvizity. Studijní opora se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto

jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná struktura.

Při studiu každé kapitoly doporučujeme následující postup: Porozumět uvedenému textu, v doporučené literatuře vyhledat další informace a uvedenou problematiku nastudovat.

Způsob komunikace s vyučujícími: V průběhu semestru proběhne výuka předmětu, v rámci které jsou studenti detailně obeznámení s náplní předmětu a se způsoby komunikace s pedagogem. Pedagog řeší dotazy studentů individuálně nebo v případě širšího zájmu je se skupinou studentů domluvena konzultace. V rámci řádné výuky jsou studentům kombinované formy studia zadány semestrální projekty, jejichž vypracování je nutné pro udělení zápočtu. Student je schopen semestrální projekt řešit na základě znalostí, se kterými je obeznámen v průběhu řádné výuky. V případě potřeby jsou možné další konzultace. Student vypracovaný projekt odevzdá vyučujícímu osobně nebo elektronicky. S výsledkem hodnocení projektu je student následně obeznámen elektronickou formou do 14 dnů. Vyučující:

doc. Ing. Jozef vlček, Ph.D. [email protected] tel.:596991523

Základní pojmy

1.

Čas ke studiu: 3 hodiny

Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět: 

definovat keramické materiály

 popsat rozdíl mezi chemickým a fázovým složením  aplikovat zkrácenou formu chemických vzorců aplikovanou v oboru keramických materiálů

Výklad 1.1

Keramika -

Nekovová anorganická hmota vyznačující se heterogenní strukturou, zpravidla tvořená krystalickou a skelnou fází a póry. Ve vodě jsou tyto materiály za normálních okolností a v reálném čase nerozpustné.

-

Tradiční keramické materiály vznikají zpravidla tak, že požadovaná surovinová směs je vytvarovaná do podoby očekávaného výrobku, který je následně vysušen a dále pak vypálen, čímž výrobek získává své finální vlastnosti. Rozdělení keramických materiálů z hlediska účelu použití

1.2 -

užitková keramika (keramika pro potravinářské účely a dekoraci – porcelán, pórovina, kamenina)

-

stavební keramika (cihlářské výrobky, obkladové prvky) 5

-

žáruvzdorná keramika

-

technická a speciální keramika (karbidy, nitridy, boridy silicidy)

-

sklo

-

sklokeramika

-

anorganická pojiva (sádra, vápno, cement)

V tomto studijním materiálu je věnována pozornost klasickým keramickým materiálům, mezi které řadíme porcelán, pórovinu, kameninu, cihlářské výrobky a některé druhy žáruvzdorné keramiky). Zkratky používané v oboru keramiky

1.3

-

CaO – C

SiO2 – S

Al2O3 – A

Fe2O3 – F

Na2O – N

K2O – K

MgO – M

B2O3 – B

H2O – H

SO3 – S

CO2 – C

např. zkrácené vyjádření vzorce metakaolinitu: AS2H2 = Al2O3.2 SiO2.2 H2O

Význam keramických materiálů je dobře patrný z informace o průměrném složení pevninné zemské kůry: SiO2

60 %

Al2O3

15 %

CaO

5,5 %

MgO

3,1 %

FeO

3,8 %

Fe2O3

2,5 %

Suroviny pro výrobu keramiky jsou široce dostupné a pro mnohé z keramických materiálů lehce zpracovatelné. Z tohoto důvodu se jako jedny z nejstarších produktů lidských rukou nacházejí právě materiály keramické. Zároveň keramika, jako častý archeologický nález dokazuje, že se jedná o materiál mimořádně trvanlivý. 6

Chemické a fázové složení keramických materiálů

1.4

Vlastnosti keramických materiálů jsou závislé na mnoha faktorech. Za hlavní faktor lze považovat složení keramických materiálů. To je možné vyjádřit chemicky nebo fázově. Chemické složení: -

(nebo tzv. složky) jsou základní chemické součástí, které jsou v materiálu stále (nemění své složení v průběhu působení vnějších sil). Řada keramických materiálů je tvořena oxidy, proto se chemické složení takovýchto materiálů uvádí jako zastoupení oxidů.

Fáze: -

jsou homogenní součástí materiálu, které jsou od sebe odděleny plochami a tyto fáze lze vzájemně od sebe mechanicky oddělit. Vlastnosti jednotlivých fází (hustota, tvrdost, tepelná vodivost a další) se vzájemně odlišují. Většina keramických materiálů obsahuje více než jednu fázi a označujeme je jako tzv. vícefázové materiály a zároveň tyto materiály označujeme jako heterogenní.

Rozdíl mezi chemickým a fázovým složením je snadno pochopitelný na následujícím příkladu, který vyjadřuje složení cementu: -

chemické složení CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3

-

fázové složení C3S, C2S, C4AF, C3A Z uvedeného plyne, že pouhé smísení složek CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 v žádném případě nezaručí očekávané chování cementu. Tzn., že směs uvedených složek smíchaná s vodou tuhne a tvrdne pouze za předpokladu, že složky jsou součástí uvedených minerálů a tedy tvoří požadované fáze.

7

Suroviny pro výrobu keramiky

2.

Čas ke studiu: 10 hodin

Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět:  popsat suroviny pro výrobu keramických materiálů  rozlišit typy keramických surovin podle účelu použití

Výklad

Suroviny lze rozdělit z několika hledisek. Podle původu: -

přírodní suroviny: o neupravené o upravené

-

syntetické suroviny

-

druhotné suroviny Podle chemické povahy

-

oxidy

-

křemičitany o soustava SiO2 – Al2O3 (jílové minerály) o křemičitany hořečnaté o křemičitan zirkoničitý

8

o živce 2.1

uhličitany Oxid křemičitý SiO2

- v přírodě rozšířený  k výrobě keramiky se používá téměř výhradně jako přírodní surovina - žilné křemeny – praním v kyselinách obsah SiO2 > 99,95 % - k výrobě křemenného skla - písky, pískovce a křemence - nejrozšířenější - křemelina pórovitá surovina k výrobě tepelně – izolačních materiálů - pazourek – zřídkavé využití - SiO2 je znám v různých polymorfních formách (modifikacích)

Obr. 1 Modifikační změny SiO2 (Hlaváč, J.: Základy technologie silikátů. SNTL Praha, 516 s., 1988) Vodorovné přeměny – rekonstrukční jsou energeticky náročné a probíhají pomalu. Tyto formy lze podchladit pod teplotu přeměny. Vertikální přeměny – displacivní jsou energeticky nenáročné, probíhají rychle v obou směrech. Přeměna  křemen   cristobalit při teplotě 1025 °C nastává, je-li SiO2 čistý. V případě obsahu nečistot dochází při teplotě 870 °C ke vzniku  tridymitu. Přeměny modifikací SiO2 jsou spojeny s objemovými změnami. Ty jsou výrazné a nepříznivě se projevují v průběhu výroby produktů s obsahem původního křemene a v důsledku vratných 9

změn je při cyklických změnách teploty také ohrožena objemová stabilita výsledných produktů. Hustoty jednotlivých modifikací SiO2 uvádí tabulka. Tab. 1 Vlastnosti modifikací SiO2 (Hlaváč, J.: Základy technologie silikátů. SNTL Praha, 516 s., 1988) Modifikace

Krystalová soustava

Hustota (g.cm-1)

-křemen

trigonální

2,65 (20 °C)

-křemen

hexagonální

2,53 (600°C)

-tridymit

Rombická

2,26 (20 °C)

- tridymit

Ortorombická

- tridymit

pseudohexagonální

2,22 (200 °C)

- cristobalit

tetragonální

2,32 (20 °C)

- cristobalit

kubická

2,20 (500 °C)

-

---

Skutečnost, že rekonstrukční proměny jsou energeticky a časově náročné způsobuje, že ve vypálených výrobcích je stále přítomen křemen. Např. v dinasech se zastoupení jednotlivých modifikací SiO2 mění téměř po celou dobu užití výrobků.

-

Vznik tridymitu a jeho stabilizaci podporují tzv. mineralizátory např. alkalické oxidy. Platí, že v tridymitu jsou vždy přítomny i jiné atomy než Si a O.

Objemové změny při polymorfních přeměnách SiO2:  křemen



 křemen

0,82%

 křemen



 tridymit

16,0%

 křemen



 cristobalit 15,4%

 tridymit



 tridymit

0,5%

 cristobalit

2,8%

 cristobalit 

Kromě zmíněných forem SiO2, jsou známé i další, které vyžadují zvláštní podmínky (např. vysoké teploty a tlaky): keatit, koesit stišovit. SiO2 je základní sklotvorný oxid. 10

-

tavenina se vyznačuje vysokou viskozitou (107 dPa při teplotě 1726 °C)

-

křemenné sklo vzniká přechlazením taveniny díky vysoké viskozitě poměrně snadno

-

vysoká viskozita taveniny je určující faktor při výrobě skla (čeření, tvarování)

-

křemenné sklo se vyznačuje odolností vůči kyselému prostředí, nízkou roztažností, elektrickou izolačností

-

tání SiO2 probíhá nerovnoměrně a pomalu, proces začíná na povrchu, trhlinách a rozhraních

Krystalická struktura SiO2

Struktura skla SiO2

Obr. 2 struktura SiO2 Oxid titaničitý TiO2

2.2

TiO2 – oxid ze skupiny Ti – O má největší technický význam a je nejstálejší Teplota tání cca 1900 °C Použití: -

vysoce účinný bílý pigment

-

k výrobě titaničitých smaltů

-

jako nukleátor ve sklokeramice 11

Výskyt TiO2 v podobě minerálů: -

rutil

-

brookit

-

anatas

SiO2 je stabilní pouze ve formě rutilu. Anatas a brookit existují pouze za přítomnosti příměsí a jsou metastabilní. Při zahřívání rutilu v oxidační atmosféře dochází k redukci, oxid má nestechiometrické složení (TiO1,98), při poklesu teploty je proces vratný. Výroba TiO2:

2.3

-

Především z ilmenitu FeTiO3 (loužením v H2SO4 a následnou kalcinací)

-

Ze strusek bohatých na titan Oxid zirkoničitý ZrO2

Výroba z minerálu zirkon ZrSiO4 Obsah ZrO2 ve výrobcích 75 – 99 % Čistý ZrO2 při ohřevu prochází polymorfními přeměnami (vratné změny), více diagram na obrázku 3

Obr. 3 Jednosložkový diagram ZrO2 (Hlaváč, J.: Základy technologie silikátů. SNTL Praha, 516 s., 1988) 12

Tab. 2 Parametry modifikací ZrO2: Vlastnost

monoklinická

tetragonální

kubická

Hustota (g.cm-3)

5,56

6,10

6,27

T. tání (°C)

-

-

2710

Stálost (°C)

do 1 100

1 100 - 2 300

2 300 - 2710

Přeměny jsou spojeny s objemovou změnou až 9%. Vzniká značné mechanické pnutí  hrozí destrukce výrobků. Vratnost změn závisí na podmínkách, je možná existence metastabilních forem (mimo obvyklý rozsah teplot). Stabilizace kubické formy nastává pomocí přídavku CaO nebo Y2O3. Modifikovaný produkt obsahuje 70 – 80 % kubické formy a vykazuje malou náchylnost na další přeměny. Oxid hlinitý Al2O3

2.4

Teplota tání 2054 °C. V přírodě v čisté formě jako korund  Al2O3. Drahokamová odrůda Al2O3 -

rubín s obsahem Cr3+

-

safír s obsahem Ti4+ a Fe2

13

Obr. 4 Drahokamová odrůda Al2O3 (vlevo safír, vpravo rubín)

V keramickém průmyslu se používá Al2O3 a Al(OH)3. Chemická příprava nejčastěji z bauxitů tzv. Bayerovým postupem. Bauxit – hydrátovaný Al2O3 s obsahem příměsí SiO2, Fe2O3 a TiO2. Bayerův postup: -

bauxit se za zvýšeného tlaku a teploty vyluhuje roztokem NaOH

-

vzniklý roztok Al(OH)4- se filtrací zbaví nerozpuštěného SiO2, Fe2O3 a TiO2

-

po ochlazení vzniká  Al(OH)3

-

kalcinací (1200 °C) vzniká  Al2O3

-

různé jakosti v závislosti na čistotě (běžně 99,5%) a velikosti zrna

-

hlavní nečistota – zbytky Na2O

Omezeně se k výrobě používají popely, strusky a hlinitokřemičité zeminy Kalcinace: -

bayerovým způsobem vzniká  Al(OH)3 (hydrargillit)

-

neúplnou kalcinací (při nižších teplotách) vzniká  Al2O3

-

při teplotách nad 1100 °C vzniká  Al2O3, tato forma je stabilní až do teploty tání (2054 °C)

Výhoda  při užití materiálu s obsahem Al2O3 v měnících se teplotách nedochází k výrazným objemovým změnám. U některých typů surovin se forma  získá kalcinací až při teplotách 1700 °C. Při teplotách 2000 °C vzniká tzv. tabulární korund (tabulkovité krystaly). Na teplotě kalcinace je závislá hustota 3,94 – 4,00 g.cm-3 a měrný povrch 15 – 4 m2.g-1 (hodnoty platí pro rozsah teplot 1100 – 1500 °C). Teplotu kalcinace je možné snížit přídavkem F.

14

Obr. 5 Závislost měrného povrchu a hustoty  Al2O3 na teplotě kalcinace (HANYKÝŘ, V., KUTZENDÖRFER, J. Technologie keramiky. Praha: Silikátový svaz, 2000, 287 s., ISBN 80900860-6-3) Tavený korund Připravuje se elektrotavením, produktem při chlazení je polykrystalycký  Al2O3. Produkt se mletím upravuje na požadovanou granulometrii. Využití v žárovzdorné keramice. Při výrobě taveného korundu může vzniknout  Al2O3 (riziko vzniku za přítomnosti alkálií). Jeho vznik je nežádoucí, má nižší tvrdost. Oxid boritý B2O3

2.5

Hlavně jako součást skel, smaltů a glazur. Oxid se vyskytuje hlavně ve skelné formě. Krystalická forma se připravuje obtížně. Příprava: -

Dehydratací H3BO3 (kyselina orthoboritá). Voda se odstraňuje poměrně obtížně a pomalu, bezvodý oxid vzniká až při teplotách 1300 °C (teplota tání je 450 °C).

Použití: -

Do směsí se přidává častěji než ve formě oxidů ve formě H3BO3 nebo boraxu (Na2B4O7.10H2O).

2.6

Jílové minerály a soustava SiO2 – Al2O3

Základní keramická surovina (jílové zeminy, kaolín, jíly, zeminy). 15

Jíl -

Je směsný přírodní materiál primárně složený z jemně zrnitých minerálů. Při přiměřeném obsahu vody je plastický a procesem sušení a výpalu dochází k nárůstu pevnosti.

-

Plasticita -

Schopnost vytvářet s vodou tvárné těsto. Závisí na jemnosti zrna a minerálním složení. Největší plasticitu mají montmorillonitové jíly, dále kaolinitové. Plasticitu zvyšuje záměna iontů Ca2+ a Mg2+ za Na+ a K+.

-

Součástí jílů jsou: -

fylosilikáty – silikáty s vrstevnatou strukturou

-

organická složka

-

modifikace SiO2

-

živce, zeolity, oxidy a hydroxidy

Ne všechny součásti jílů jsou jílové minerály - jílové minerály -

fylosilikáty - minerály obsahující periodické sítě tetraedrů spojené se sítěmi oktaedrů

-

oxidy, hydroxidy hliníku a železa – jílové minerály nepatřící do skupiny fylosilikátů

-

doprovodné minerály

Rozdělení plastických surovin na základě granulometrického složení: -

jílovina d < 0,002 mm

-

prachovina d = 0,002 – 0,05 mm

-

pískovina d = 0,05 – 2,0 mm

Podle zastoupení zrn ve frakcích se zeminy rozlišují: -

jíly, 50–100% jíloviny, 0-50 % prachoviny, 0-50% pískoviny

-

hlíny, 20-50% jíloviny, 0-80 % prachoviny, 0-80% pískoviny

-

prach, 0-20% jíloviny, 35-100 % prachoviny, 35-45% pískoviny 16

-

písek, 0-20% jíloviny, 35-60 % prachoviny, 40-100% pískoviny

Struktura jílových minerálů Jílové minerály (fylosilikáty) se vyznačují vrstevnatou strukturou, kdy se střídají vrstvy tetraedrů a oktaedrů.

Obr. 6 Struktura kaolinitu (vlevo) a montmorillonitu (vpravo) Tetraedry SiO4

kationt Si4+ může být nahrazen Al3+, Fe3+, Ge4+

Oktaedry AlO6

kationt Al3+ může být nahrazen Fe3+, Fe2+, Mg2+, Mn2+, Ca2+, Li+

Anion oktaedrů

může být kromě O2-, také OH-

Čistota jílů -

kontrolní nástroj je obsah Al2O3, jeho teoretický obsah v kaolinitu je 39,5 %

-

zvýšený obsah SiO2 nad stechiometrický poměr svědčí o znečištění křemenem

-

obsah alkálií svědčí o přítomnosti živců, které spolu s Fe2O3 snižují žáruvzdornost a podporují vznik taveniny při nižších teplotách

-

obsah organických látek  výpalem vyhořívají, ovlivňují zbarvení střepu a jeho mechanické vlastnosti

Funkce jílů v keramických materiálech -

dodávají hmotě tvárlivost

-

zvyšují smrštění hmoty při výpalu a sušení 17

-

jsou nositelem pevnosti vysušeného výrobku, pevnost je zabezpečená Van der Waalsovými silami

-

příznivě ovlivňují vlastnosti hotového výrobku mechanické, tepelné, elektrické, trvanlivost, atd.

Tepelné zpracování jílů Jílové minerály v průběhu tepelného zpracování podléhají fázovým změnám. Průběh tepelného zpracování je vysvětlen na kaolinitu. Al2O3.2SiO2.2H2O



Al2O3.2SiO2 + H2O

500 – 600 °C

2(Al2O3.2SiO2)



2Al2O3.3SiO2 + SiO2 (amorf.)

925 – 1050 °C

3(2Al2O3.3SiO2)



2(3Al2O3.2SiO2) + 5 SiO2

> 1100 °C

SiO2(amorf.)



SiO2(cristobalit)

> 1200 °C

Al2O3.2SiO2 

metakaolinit

2Al2O3.3SiO2 

defektní spinel

3Al2O3.2SiO2 

mullit

-

Metakaolinit: vyznačuje se málo výraznou krystalickou strukturou  využívá se např. při přípravě anorganických pojiv

-

Uvedené schéma představuje zjednodušené schéma, v praktických podmínkách mají produkty reakcí často nestechiometrické složení

18

Obr. 7 Rovnovážný fázový diagram SiO2 – Al2O3

Mullit Jediná stabilní sloučenina (pevný roztok) v systému A – S -

vysoká teplota tání

-

chemická odolnost

-

vysoká pevnost

-

nepodléhá polymorfním změnám

-

nízká teplotní roztažnost 19

-

je žádoucí vysoký podíl mullitu v keramických výrobcích

-

teoretické složení: 71,8 hm% A

Ve skutečnosti se v dané oblasti vytváří řada pevných roztoků s nestechiometrickým složením, ale vlastnostmi podobnými mullitu  celá oblast se nazývá oblast mullitu. Další suroviny pro přípravu mullitu: -

přírodní minerály skupiny sillimanitu -

Andaluzit

-

Kyanit

-

Sillimanit

-

mají složení SiO2.Al2O3

-

ve fázovém diagramu A – S nejsou uvedeny, protože vznikaly za vysokého tlaku a při teplotách nad 1300 °C se mění v mullit a S

-

vzhledem k výrazným objemovým změnám je nutné kyanit před použitím předem kalcinovat

Dále je možné připravit i syntetický mullit, který se připraví ze směsi jílu a bauxitu. Živce

2.7 -

Orthoklas K2O.Al2O3.6SiO2, Tt 1150 °C

-

Albit Na2O.Al2O3.6SiO2, Tt 1118 °C

-

Anortit CaO. Al2O3.2SiO2, Tt 1552 °C

Živce mezi sebou navzájem, v určitých oblastech, vytvářejí směsné tuhé roztoky.

20

Obr. 8 Oblast pevných roztoků živců (Hlaváč, J.: Základy technologie silikátů. SNTL Praha, 516 s., 1988)

Živce jsou součástí většiny krystalických hornin, čisté se však nevyskytují (vždy obsahují křemen, slídu, atd., tyto horniny se nazývají živcové pegmatity). V keramice se cíleně používají jako taviva (porcelán, pórovina, glazury, obsah až 50 %), anebo jako zdroj Al2O3 a alkálií (sklářství). Často jsou však nežádoucí  u materiálů snižují teplotu použití. Tavenina živců se snadno přechlazuje na sklo a je obtížné (až nemožné) docílit její rekrystalizační schopnosti.

21

Křemičitany hořečnaté

2.8

Mastek 3MgO.4SiO2.H2O -

hustota 2,6 – 2,8 g.cm-3

-

má vrstevnatou strukturu

-

vykazuje určitou plastičnost i za sucha

-

tvarovaní je možné bez přídavku vody

-

tendence ke směrové orientaci šupinek  nerovnoměrné smrštění při sušení (anizotropie)

Vlastnost se potlačí případnou kalcinací suroviny. V přírodě se vyskytuje za přítomnosti Fe2O3, magnezitu, alkálií, nežádoucí je železo a CaO. Používá se pro výrobu elektrotechnické keramiky, někdy obkladaček. Mastek při ohřevu za teplot 700 – 900 °C ztrácí vodu, za dalšího vzrůstu teplot vzniká MgO.SiO2. Dalším křemičitanem hořečnatým je azbest. Skupina minerálů s vláknitou strukturou. Hlavní zástupce je chrysotil Mg3Si2O5(OH)4. Azbest je prokazatelně karcinogenní, v EU zákaz používání. 2.9

Forsterit -

2MgO.SiO2

-

v přírodě se běžně nevyskytuje

Připravuje se kalcinací z olivínu  pevný roztok forsteritu a fayalitu 2FeO.SiO2. FeO se oxiduje a vzniká Fe2O3.MgO který je v rovnováze s forsteritem. Využití v žárovzdorné keramice. 2.10 Uhličitany 22

Uhličitany skupiny IIa (Ca2+, Mg2+) -

účinkem tepla se rozkládají za vzniku stabilního oxidu

Uhličitany alkalických kovů (Na, K, Li) -

za zvýšených teplot se nerozkládají, ale taví

-

používají se jako taviva ve sklářství a v glazurách (např. Na2CO3 Tt = 851 °C)

CaCO3 -

Nachází se jako vápenec, nebo jako dolomit - CaMg(CO3)2 nebo jako dolomitický vápenec. –

doprovodné nečistoty SiO2, Fe2O3, Al2O3

-

vyskytuje se ve třech formách -

Kalcit (vápenec) – nejběžnější

-

Aragonit a vaterit – jsou metastabilní

Shrnutí pojmů kapitoly (podkapitoly) Suroviny: Plastické suroviny – pojiva - umožňují tvarování –

kaolín, jíly a hlíny

Neplastické suroviny – ostřiva – snižují smrštění a tvárlivost –

křemen, korund, vypálený jíl (lupek)

Neplastické suroviny – taviva – při výpalu zabezpečí vznik taveniny –

živce

23

Technologie výroby keramiky

3.

Čas ke studiu: 10 hodin

Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět: 

definovat postup pro výrobu keramiky

 popsat technologii výroby keramických materiálů

Výklad

Výroba keramiky sestává z následujících operací (ne všechny operace jsou uplatněny při výrobě konkrétního produktu, výroba skla a anorganických pojiv je realizována jinými postupy): •

příprava surovin –

syntéza vysoce čistých surovin (sol-gel metoda, reakce a srážení v plynné fázi, pyrolýza organokovových prekurzorů apod.)

•

•

–

úprava granulometrie

–

homogenizace

tvarování –

běžné a izostatické lisování

–

žárové lisování

–

tvarování litím

–

extruze

–

vstřikovací lisování

tepelné zpracování 24

•

–

sušení

–

výpal

–

speciální postupy (např. tlakové spékání, reakční zhutňování apod.)

dokončovací operace –

řezání, broušení a leštění

–

povrchová úprava (glazování)

Příprava směsí k tvarování

3.1

Cílem je homogenizace a úprava granulometrie. Mletí: Nejčastěji se provádí mokré mletí v bubnových mlýnech. Mele se zejména neplastická surovina s cca 10% obsahem jílové složky (jíl zpomaluje sedimentaci mleté hmoty). Mlecí buben a mlecí tělesa nesmí znečistit mletou surovinu.

Kaskádní pohyb mlecích těles v bubnu

Katakarktní pohyb mlecích těles v bubnu

n = 25.D-1

n = 32.D-1 1

Obr. 9 Pohyb mlecích těles v mlecím bubnu v závislosti na rychlosti otáčení.

Optimální náplň mlecího bubnu: -

50 - 55% mlecí tělesa

-

max. 80% mlecí tělesa + melivo + voda 25

Mletý materiál je dále nutno ve většině případu vysušit (pokud se dál netvaruje z břečky).

Odvodnění suspenze Kalolisování: -

Odvodnění suspenzí prostřednictvím tkaninového filtru

-

Lisovací tlak 0,5 - 1,5 MPa  vznik filtračního koláče

Někdy (lisování z plastického těsta) se musí vyrovnat vlhkost v kalolisovém koláči odležením, následně se směs může homogenizovat pomocí lisu.

Rozprašovací sušení: Rychlé vysušení rozprášené kapky suspenze v proudu ohřátého vzduchu (500 – 800 °C). Sušená keramická hmota se neohřeje nad teplotu 100 °C, což je dáno rychlosti proudění. Velikost vznikajícího granulátu a jeho vlhkost lze regulovat. Tvarování keramických materiálů

3.2 -

Lití z tekutých suspenzí -

disperzním činidlem je 25 – 40% vody, lije se do sádrových forem

-

disperzním činidlem je nepolární kapalina (organické rozpouštědlo), lije se do nepórovité formy

-

-

-

Plastické tvarování -

z těst s obsahem 17 – 27% vody

-

ze směsí s obsahem 1 – 10% nevodného rozpouštědla

Lisování -

z vlhkých směsí s obsahem 17 – 27% vody a organickými přísadami

-

z polosuchých směsí s obsahem 8 – 15% vody a organickými přísadami

-

ze suchých směsí s obsahem do 8% vody a/nebo organických pojiv

Tvarování za vysokých teplot 26

-

vstřikové lití, do teploty 150 °C

-

žárové lisování, při teplotách nad 1000 °C

Lití z tekutých suspenzí Suspenze (ker. břečka) musí vykazovat nízkou nebo nulovou mez toku a vysokou tekutost při nízkém obsahu vody. Suspenze se má blížit k newtonovské kapalině. Částice v suspenzi se nesmějí shlukovat (koagulovat), suspenze musí být dokonale peptizovaná (ztekucená). Lyofilní disperzní soustava je termodynamicky stabilní a nevyžaduje dodatečnou stabilizaci. Lyofobní disperzní soustava je termodynamicky nestabilní a vyžaduje stabilizaci, bez ní dochází ke shlukování částic

Stabilita keramických soustav •

Kinetická –

Je funkcí disperze pevné fáze. Roste se zmenšováním velikosti částic, kdy se uplatňuje Brownův pohyb částic

•

Koagulační –

Je přímo úměrná velikosti elektrického náboje dispergované částice. Je funkcí koncentrace elektrolytu v disperzní soustavě. Má rozhodující vliv na celkovou stabilitu suspenze. Koagulační stabilitu vyjadřuje tzv. zeta potenciál 

•

Koagulační stabilitu je možné zvýšit přídavkem ochranného koloidu, čímž se zvýší velikost částice, ale zároveň se sníží kinetická stabilita

Ztekucení suspenze: Přídavkem vhodného elektrolytu (peptizačního činidla, ztekucovadla) se může zvýšit povrchový potenciál částice 0. Ztekucení zabraňuje koagulaci částic a umožňuje zvýšit obsah pevné fáze v suspenzi. Povrchový potenciál se zvýší substitucí iontu vázaného na povrchu částice (Ca2+, Mg2+) za iont s nižším oxidačním číslem (Li+, K+, Na+). Pozor: vícemocné kationty jsou k povrchu částice vázány silněji než kationty jednomocné.

27

Řešení: použití ztekucovadel podporujících tvorbu málo rozpustných sloučenin ve vodě k vázání nevhodného Ca2+. Účinek přídavku uhličitanu sodného: Ca-kaolinit+Na2CO32(Na-kaolinit)+CaCO3 Přídavek ztekucovadla zvyšuje potenciál  a zároveň snižuje viskozitu. Nadměrný přídavek ztekucovadla má opačný účinek. Běžná ztekucovadla pro jíly: Na2CO3, vodní sklo, hexametafosforečnan sodný Na6P6O18.

Obr. 10 Změna viskozity v závislosti na koncentraci ztekucovala a změna gradientu deformace v závislosti na ztekucení hmoty; 1 – neztekucená hmota, 2 – koagulovaná hmota, 3 – ztekucená hmota (HANYKÝŘ, V., KUTZENDÖRFER, J. Technologie keramiky. Praha: Silikátový svaz, 2000, 287 s., ISBN 80-900860-6-3) Lití do sádrových forem Licí suspenze musí vykazovat -

minimální viskozitu (0,2 -1 Pas)

-

minimální mez toku

-

maximální obsah pevné fáze

-

vysokou rychlost tvorby střepu

-

vysokou homogenitu

-

pevné částice nesmějí sedimentovat 28

Sádrové formy -

formy odsávají vodu a tím umožňují na rozhraní vznik kožovitého (plastického) střepu

-

forma podporuje koagulaci suspenze na rozhraní (opačný děj než v případě ztekucování)

-

záměna iontů Na+ za Ca2+ 2(Na-kaolinit)+CaSO4.2H2OCa - kaolinit+2Na++SO42-+2H2O

-

životnost forem je 50 – 200 lití, závisí na pórovitosti formy a chemickém účinku ztekucovadla

-

formy se po lití suší při teplotách max. do 100 °C. Nutno zabránit rozpadavosti sádrovce, která je způsobená jeho dehydratací

Plastické tvarování Podmínkou úspěšné výroby je vyrovnaná vlhkost a odplynění hmoty. Příkladem uplatnění plastického tvarování je pásový lis při výrobě cihlářských výrobků.

Obr. 11 Schéma pásového lisu (Hlaváč, J.: Základy technologie silikátů. SNTL Praha, 516 s., 1988) Z pásového lisu vychází nepřetržitý pás, který se řeže na požadované délky. Produkují se výrobky konečného tvaru a rozměru (cihlářské výrobky), anebo polotovary, které se následně lisují (žárovzdorné cihly), anebo suší a mechanicky opracovávají – soustruží (elektrické 29

izolátory). Rychlost pohybu hmoty v lisu není rovnoměrná (směrem ke stěnám se snižuje), což způsobuje různou orientaci zrn po průřezu výrobku  anizotropie vlastností.

Lisování suchých směsí Obsah vody snížen až na 0%. V průběhu lisování dochází k uspořádávání částic a jejich deformaci. U monodisperzních částic se dosáhne cca 70 % zaplnění formy, u polydisperzních až 90% (proces již velmi náročný). Působení lisovací síly -

jednostranné, způsobuje nerovnoměrné zhutnění výlisku

-

dvoustranné

-

izostatické, směs se naplní do pryžové formy, ta se vloží do tlakové nádoby. Odlišuje se suché lisování (tlak v nádobě je vyvolaný stlačeným vzduchem) nebo mokré lisování (tlak v nádobě je vyvolaný stlačenou kapalinou). Lisovací tlak působí na celý povrch pryžové formy. Metoda se používá pro jakostní a tenkostěnné výrobky

Extruze (protlačování) Vhodné pro tvary, kde délka výrazně přesahuje průměr. Tvarování jílových surovin, reologie se upravuje přídavkem vody. Metoda vhodná dále pro tvarování neplastických směsí s vysokým obsahem Al2O3 a s přídavkem viskózní kapaliny (polyvinyl alkohol) a vody.

3.3

Sušení keramiky

Účelem je odstranění volné vody z vytvarovaného keramického výrobku. Musí se hledat optimum průběhu sušení. Sušením ve výrobku vzniká pnutí, které může způsobit jeho destrukci. Průběh sušení A) voda tvoří souvislé vrstvy, které oddělují pevné částice od sebe B) zrna hmoty se vzájemně dotýkají, voda vyplňuje prostor mezi zrny (póry) C) voda není obsažena ani v pórech (zůstávají pouze tenké vodní obaly - adsorpčně vázané k povrchu pevných částic) 30

A

B

C

Obr. 11 Průběh sušení

Stav B představuje kritickou hodnotu vlhkosti. Pokud je vlhkost tělesa vyšší, tak sušení materiálu je doprovázeno jeho smrštěním. Pokud je počáteční vlhkost materiálu nižší než kritická hodnota vlhkosti, tak se materiál v průběhu sušení nesmršťuje. Kritická hodnota vlhkosti se stanovuje např. pomocí Bigotovy křivky.

Obr. 12 Bigotova křivka Wc - počáteční vlhkost, Wk kritická vlhkost

31

Režimy sušení a) sušení za nízké teploty a vysoké vlhkosti b) sušení za nízké teploty a nízké vlhkosti c) sušení za zvýšené teploty a zvýšené vlhkosti

Obr. 13 Rozložení vlhkosti ve výrobku v závislosti na režimu sušení I - počáteční obsah vody; B – obsah vody při ukončeném smršťování Povrchová vlhkost

Vlhkost ve středu výrobku

(Hlaváč, J.: Základy technologie silikátů. SNTL Praha, 516 s., 1988)

Smrštění výrobku závisí hlavně na počátečním obsahu vody. U jílových výrobků tvarovaných z plastického těsta dosahuje hodnot 0,5 – 12 %. Jemnozrnné soustavy vykazují vyšší smrštění než soustavy hrubozrnné (větší počet vodních obalů). Smrštění se stává nebezpečné v případě, kdy neprobíhá rovnoměrně v celém objemu výrobku. Pevnost vysušených výrobků se uskutečňuje prostřednictvím Van der Waalsových sil. Jemnozrnné směsi mají vyšší pevnost než směsi hrubozrnné. Pevnost vysušených jílových výrobků je cca 0,5 – 10 MPa. Výrobek musí dosahovat tzv. manipulační pevnost. Konečný obsah vody po ukončení procesu sušení je 1 – 2 %.

32

Mikrovlnné sušení Většina keramických materiálu absorbuje mikrovlnné záření, to se v materiálu mění na tepelnou energii. Voda se v materiálu prohřívá rovnoměrně v celém objemu výrobku. Další výhodou je zkrácení doby sušení výrobku. Výpal keramiky

3.4

Konečná fixace tvaru a pevnosti výrobku je dosažena tzv. slinutím - vznik pevných srůstů mezi zrny. V průběhu výpalu keramiky obvykle dochází k zhutňování výrobku. Utváření dalších finálních vlastností výrobku Děj je spojen s průběhem fyzikálních a chemických reakcí: -

vypařování fyzikálně vázané vody

-

dehydroxilace

-

hoření organických složek

-

tvorba skelné fáze

-

modifikační přeměny

-

nukleace a krystalizace nových fází

-

slinování

-

rozpouštění fází v tavenině

Slinování •

konečná fáze procesu výpalu –

tvorba konečných vlastností výrobků

–

srůst pevných částic

– •

•

bez přítomnosti kapalné fáze (při teplotách 0,8 – 0,9 teploty tání)

•

za přítomnosti kapalné fáze

hnací silou je snižování povrchové energie částic

slinování probíhá –

Bez smršťování 33

–

se smršťováním – přibližování středů zrn

Kromě vypařování a kondenzace je určujícím dějem procesu slinování difuze. Mechanismy difuse jsou uskutečňovány prostřednictvím toku vakancí. Vakance difundují z oblastí s vysokou koncentrací do oblastí s nízkou koncentrací. Zakřivený povrch částic je místem s vysokou koncentrací vakancí. V protisměru toku vakancí probíhá tok hmoty. Stadia slinování (bez přítomnosti taveniny): •

•

•

1. stádium –

vznik krčku mezi zrny, plocha srůstu je cca 20% z plochy průřezu zrn

–

zrna nemění svůj počet, svoji velikost ani strukturu

2. stádium –

nastává lineární smrštění (cca 6%)

–

roste krček, plocha srůstu se rovná ploše průřezu zrna

–

pokles pórovitosti (až na úroveň víc než 50% z původní pórovitosti)

–

začíná proces dodatečného růstu zrn a vznikají kanálkovité póry

–

stádium končí tvorbou uzavřených pórů

3. stádium –

dochází k další tvorbě uzavřených pórů, tyto póry se postupně zmenšují

–

zvyšuje se rychlost růstu zrn

–

dále mohou nastat tyto varianty •

s růstem zrn dochází téměř k úplnému vymizení pórovitosti

•

objemová hmotnost se přibližuje k hustotě anebo •

některá zrna rostou tak rychle, že dojde k zarůstání pórů do těchto zrn

•

póry uvnitř zrn již není možné z materiálu odstranit

•

OH materiálu je nižší než jeho hustota

Teoreticky by se měl proces slinování ukončit tvorbou jednoho monokrystalu (soustava by vykazovala nejnižší povrchovou energii). Tomuto brání přítomnost poruch, cizích fází a pórů. 34

Slinování za přítomnosti kapalné fáze: Varianta velice častá, vícesložková keramika za slinovacích teplot obsahuje jistý podíl taveniny. Do pozadí se dostává problematika růstu zrn. Hlavní problém je množství taveniny a její distribuce ve hmotě. O rozmístnění taveniny ve hmotě rozhoduje povrchové napětí. Pokud tavenina obalí zrna je pevnost výrobku dána jejím tmelicím účinkem.

35

Keramika na bázi jílových surovin

4.

Čas ke studiu: 8 hodin

Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět: 

definovat postupy pro výrobu základních druhů keramických materiálů

 vlastnosti keramických materiálů

Výklad

Materiály s převažujícím podílem jílové suroviny -

Porcelán

-

Pórovina

-

Kamenina

-

Cihlářské výrobky

-

Šamot, materiál zároveň patřící do skupiny žárovzdorné keramiky

36

Živce Tvrdý porcelán Měký porcelán Pórovina Kamenina

50 % jíl

Cihlařina

25 % živce

Jílová surovina

Ostřivo (písek)

Obr. 14 Rozdělení jílové keramiky v závislosti na surovinovém složení (uvedené číselné hodnoty platí pro složení tvrdého porcelánu)

4.1

Porcelán

Materiál vyráběn v Číně již na počátku letopočtu, v Evropě vyvinut až v 18. Století. Základní surovinové složky jsou kaolín, křemen a živce. Např. tvrdý porcelán 50% kaolínu, 25% křemene a 25% živců. Porcelán se rozlišuje na základě surovinového složení, kterému odpovídá teplota výpalu. Rozlišuje se tvrdý porcelán, elektrotechnický porcelán, karlovarský porcelán, měkký porcelán a zubní porcelán. Rostoucí obsah živců zvyšuje množství skelné fáze ve výrobku, produkt má vysokou průsvitnost a horší mechanické a elektrické vlastnosti a dále živce snižují teplotu výpalu. Rostoucí obsah jílu dodává materiálu lepší mechanické vlastnosti a poskytuje lepší tvarovatelnost směsi, zároveň zvyšuje teplotu výpalu. 37

Výroba porcelánu Připraví se směs požadovaného složení podle typu připravovaného porcelánu. Tvarování –

Z plastického těsta

–

Litím suspenze

–

Lisováním

Výpal –

–

Dvoustupňový (hlavně tenkostěnné výrobky) 

1. stupeň – přežah cca 950 °C (následně glazování)



2. stupeň – výpal glazovaného výrobku na konečnou teplotu

Jednostupňový (hlavně tlustostěnné výrobky) 

Glazura se nanáší po vysušení

Tab. 3 Složení surovinových směsí pro výrobu porcelánů Druh porcelánu

Teplota výpalu

Obsah složky (hm%)

(°C)

jíl

křemen

živce

35-60

20-40

15-25

1350-1450

49

29

22

1380

Měkký

25-35

20-45

30-40

1250-1350

Zubní

5

15-35

60-80

1100-1200

Tvrdý Karlovarský

Výpal porcelánu Nejdůležitější je konečná fáze výpalu. Živec začíná tát při teplotách nad 1100°C. Mullitizace nastává při teplotách 1000 – 1200°C. Křemen se postupně a pomalu rozpouští v tavenině. Pomalá rozpustnost je dána vysokou viskozitou taveniny a nízkým difuzním koeficientem SiO2.V okolí zrn SiO2 se vytváří oblast taveniny bohaté na SiO2. V důsledku pomalé rozpustnosti SiO2 v tavenině jsou při ukončení výpalu přítomny tyto fáze: 38

tavenina, mullit a SiO2. Fázové složení se během ochlazování téměř nemění. V důsledku vysoké viskozity se z taveniny nevyloučí mullit a SiO2. Fázové složení porcelánu po výpalu je: mullit 10 – 25 %, křemen 5 – 25 %, sklo 50 – 80 % a cristobalit 6 – 10 %. K slinutí dochází účinkem taveniny, která tvoří souvislou skelnou fázi, v níž jsou rozptýleny šupinky mullitu a zrna SiO2. Různý koeficient tepelné roztažnosti fází je důvodem vzniku napětí v porcelánu. Toto napětí se dá snížit např. zmenšením krystalů SiO2. Výpal se do teploty 1000 °C provádí v oxidační atmosféře. Zabraňuje se usazování uhlíku na povrchu výrobku. Při teplotě nad 1000 °C je potřebné v peci vytvořit redukční atmosféru. Podmínkou je, aby se přítomné oxidy železa převedly na dvojmocnou formu. Tímto se zabraňuje reakci, která způsobuje puchnutí výrobku: Fe2O3 + SiO2 → 2FeO.SiO2 + 0,5O2 Při teplotě nad 1250 °C se součinitel přebytku spalovacího vzduchu nastavuje na hodnotu přibližně 0,98.

4.2

Pórovina

Bílá nebo také barevná keramika s pórovitostí nad 10%. Vyrábí se z: pórovinový jíl 55 %, živec 6 -12 %, křemen 35 – 45 %. Teplota výpalu je nižší než u porcelánu. V porovnání s porcelánem má nižší pevnost. Výpal probíhá při teplotě 1150 °C. Je to hodnota pod teplotou plného slinutí  nižší pevnost. Nízký obsah taveniny a nízká teplota brání tvorbě fayalitu (není potřebná redukční atmosféra). Pórovina se používá na výrobu: obkládaček, užitkové keramiky, dekorační keramiky, bakteriologických filtrů - neglazovaná pórovina, dříve také zdravotnická keramika. Poloporcelán je hmota na rozhraní póroviny a porcelánu. Surovinové složení podobné porcelánu s obsahem tavicích složek jako vápenec, dolomit a mastek. Výrobky mají dobré mechanické vlastnosti, nemají průsvitnost. Hmota se v ČR používá na výrobu sanitární keramiky.

39

4.3

Kamenina

Hutná keramika žluté až hnědé barvy. Pórovitost 0 až 7 %. Používá se pro výrobu kanalizačních rour, dlaždic, chemického a domácího nádobí a elektrických izolátorů. Podle vnitřní struktury se kamenina rozlišuje: a) Jemná (nižší obsah kameninových jílů, více živců) – určená k výrobě chemické a užitkové kameniny. Surovinové složení: kameninové jíly 55 – 65 % (nízký obsah Fe2O3, CaO, MgO), ostřivo 25 – 28 % (kameninové, porcelánové střepy), živce 15 – 17 %. b) Hrubá, surovinové složení kameninové jíly 55 – 70 % a ostřivo 45 – 30 % (kamenina, lupky). Určená k výrobě kameninových rour, komínových vložek, dlaždic, hospodářské keramiky. Výroba jemné kameniny: Homogenizace surovin v mísiči za sucha, následně s přídavkem vody  do stavu drolenky. Hmota dále postupuje do protlačovacího mísiče - dovlhčení a ohřev párou (50°C). Tímto hmota nabude tvarovací vlhkost. Tvarování může probíhat na vakuových lisech nebo zatlačením do sádrových forem nebo ručně nebo litím. Sušení může být problematické pro tvarově komplikované výrobky – nutno zajistit rovnoměrné vysušování. Výpal probíhá při teplotách 1250 až 1300 °C. Kameninový jíl má široký interval slinutí. Je možná výroba tlustostěnných a rozměrných výrobků. Nejčastěji se používá solná glazura. V závěrečné části výpalu se do pece vnáší NaCl, který reakcí s vodní párou a SiO2 vytváří na povrchu vrstvu křemičitého skla podle reakce: 2NaCl+H2O+Al2O3+4SiO2  Na2O.Al2O3.4SiO2+2HCl Cihlářské výrobky

4.4

Velký objem výroby moderního závodu - více než 20 mil. ks cihlových výrobků ročně. Zánik malých (místních) závodů. Mezi cihlářské výrobky se řadí: -

Cihly plné – vyrábějí se malého formátu, metrického formátu a velkého

40

-

Tvarovky pro svislé konstrukce -

cihly plné – vyrábějí se malého formátu, metrického formátu a velkého formátu

-

cihly dutinové – většinou se jedná o tenkostěnné výrobky

-

cihly děrované – mohou být dvou a nebo více děrované

-

cihly lehčené – mají sníženou objemovou hmotnost lehčením ať již dutinami dírami či štěrbinami, ale hlavně použitím lehčiv ve výrobní směsi

-

Tvarovky pro vodorovné konstrukce

-

Pálená krytina

-

Ostatní cihlářské výrobky -

cihelná dlažba

-

obklady

-

trativodky

-

tvárnice pro ploty

-

eventuálně i protihlukové dílce

-

ostře pálené cihly, výrobky určené k přímému kontaktu s povětrnostními podmínkami (bez omítky), výrobky musí mít pórovitost nižší než 8%

Cihlářské suroviny: Počet složek surovin 1-3. Tvárlivé (plastické suroviny), netvárlivé (ostřiva, lehčiva a taviva). Požadavky splňují méně kvalitní barevně se pálicí jíly (illit, montmorillonit, chlorit, křemen, slídy), mezi které se řadí spraš, sprašové jíly, slíny a jílovce. V případě, že jíl neobsahuje ostřivo, přidává se písek, struska, popílek, apod. Plastifikátory (jemný popílek, olejové kaly, filtrační jíly, bauxitové kaly). Barevné přísady (Fe2O3 – červená b., MnO – hnědá b.). Ztužujicí přísady (sušený slín, CaO). Obsah vody v surovině 18 – 25 hm %. Dle účelů použití se přidávají lehčiva – organické složky, které při výpalu vyhoří (piliny, uhelné kaly 10 – 25 obj.%). Surovina nesmí obsahovat rozpustné soli, které by mohly tvořit tzv. výkvěty (Na2SO4, MgSO4).

41

Podmínkou je dokonalá homogenita suroviny. Nutná je granulometrická úprava – mletí, homogenizace. Plastičnost suroviny se upravuje jejím několika denním odležením. Výpal: Při teplotách 900 až 1000 °C, slinutí nastává účinkem taveniny. Výpal probíhá v tunelové peci.

4.5

Povrchová úprava keramiky

Povrchová úprava

Glazury

Engoby

Barvy

Listry

Emaily

Preparáty ze vzácných kovů

Na glazuru

Vtavné

Podglazurové

Obr. 15 Metody povrchové úpravy keramických materiálů

Glazury Tenké skelné vrstvy na povrchu výrobku, teplota tavení 900 – 1430°C, zpravidla kromě skla obsahuje krystalickou fázi. Plní funkci: estetickou (vzhled, možnost dekorace, lesk, atd.) a technickou (uzavírá póry, může zvyšovat pevnost, zvyšuje odolnost vůči vnějším vlivům. Příprava: mokrým mletím, zbytek na sítě 0,063mm < 0,4 %; stabilizace suspenze se dosahuje přídavkem plaveného kaolinu. Glazury podle surovinového složení:

42

-

Zemité, nízkotavitelný jíl s vyšším obsahem alkalických oxidů. Po výpalu tvoří zemité a bílé barvy, barevný odstín bývá korigován obsahem pigmentů, teplota výpalu 1160 – 1180 °C.

-

Fritové, glazura předem roztavená. Připravuje se ze sody, potaše, sloučenin olova. Teplota tání bývá nízká.

-

Živcové, mletím ze surovin, kterých základem je glazurový živec a dále vápenec, dolomit, barvicí oxidy, plavený kaolin.

Glazury podle vzhledu: -

Transparentní, glazury zemité a fritové bez obsahu barvicích složek, obsahují do 20 hm% plaveného kaolinu. Nanášejí se v tenkých vrstvách.

-

-

Krycí, obsahují dispergované částice, které sklo glazury „zakalí“. Efektu se dosáhne -

Dispergovaným pigmentem, který je ve skle nerozpustný

-

Vylučovací kalení, vyloučí se disperze nukleí s vysokým indexem lomu

-

Odměšováním skla, z glazury se vyloučí nerozpustná disperze

-

Disperzí bublin

Barevné, možno připravit z transparentních glazur přídavkem barvicího pigmentu, iontovým zabarvením nebo koloidním

-

Krystalické, obsahují krystaly např. olivínu, fayalitu, cordieritu aj.

Engoby Vrstvy jemně mletých keramických směsí nanášených s cílem zakrýt původní povrch (barvu, nerovnosti). Engoby mají částečně pórovitou strukturu. Skládají se ze ztekuceného jílu a případně zabarvujícího přídavku, dále ze živců, křemene a oxidu hlinitého. Engoby více kopírují vlastnosti povrchově upravovaného výrobku. Keramické barvy Keramické barvy jsou složené ze sklotvorné složky (zajistí spojení s glazurou), barviva a odstíniva (zvýrazňuje/potlačuje barvicí efekt). Rozlišují se tato barviva: -

Iontové – probarvení ionty barevných kovů rozpuštěných ve skelné fázi

-

Koloidní – barvicí koloidy ve formě kovů jemně rozptýleny ve skle 43

-

Pigmentové – hlavně spinely kovů (větší než koloidy) homogenně rozptýleny ve skle

Tab 4 Typy keramických barev naglazurová Složení Nanášení

vtavná

podglazurová

barvítko+tavivo

barvítko

po výpalu na glazuru

po přežahu na střep

Teplota výpalu

650 – 850

1200 - 1280

1250 – 1430

Dekor

na glazuře

v glazuře

Pod glazurou

3

3

2

Počet výpalů

omezená

Odolnost

neomezená

Listry Tenké vrstvy kovů nebo jejich oxidů, které na povrchu vyvolávají duhové efekty. Emaily Tlusté vrstvy barev s viskózními tavivy (vysoký obsah SiO2 a Al2O3), možno dosáhnout ostré kontury dekoru. Preparáty vzácných kovů Au, Pt Tekuté zlato – rezinát. Au rozpuštěné v éterickém oleji a terpentýnu ve směsi s nitrobenzenem a chloroformem. Teplota výpalu cca 800 °C. Mechanické opracování Řezání, kalibrace, broušení, leštění –

Obráběcí nástroje z SiC, diamantové

–

Je možné dosáhnout přesnosti 0,01 až 0,001 mm

–

Cena opracování tvoří až 70% ceny výrobku

Pokovování keramiky Za účelem vytvoření el. vodivé vrstvy, resp. s cílem vytvoření spoje mezi keramikou a kovem. 44

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu

[1] HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. 1. vyd. Praha: SNTL, 1981. 516 s. [2] HANYKÝŘ, V., KUTZENDÖRFER, J. Technologie keramiky. Praha: Silikátový svaz, 2000. 287 s. ISBN 80-900860-6-3. [3] CARTER, C., B., NORTON, M., G. Ceramic Materials Science and Engineering. New York: Springer, 2007. 716 s. ISBN 0-387-4620-8. [4] SVOBODA, L., aj. Stavební hmoty. Bratislava: JAGA Group, 2007, ISBN 978-80-8076057-1.

45