SUROVINY PRO VÝROBU KERAMIKY (studijní opory)

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

SUROVINY PRO VÝROBU KERAMIKY (studijní opory)

Miroslava Klárová

Ostrava 2013

Recenzent:

Ing. Filip Ovčačík, Ph.D.

Název: Autor: Vydání: Počet stran:

Suroviny pro výrobu keramiky Miroslava Klárová první, 2013 61

Studijní materiály pro studijní obor Tepelná technika a keramické materiály (studijní program Metalurgické inženýrství) bakalářského studia Fakulty metalurgie a materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena. Určeno pro projekt: Operační program Vzděláváním pro konkurenceschopnost Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava Číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0304 Realizace: VŠB – Technická univerzita Ostrava Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR © Miroslava Klárová © VŠB – Technická univerzita Ostrava

Suroviny pro výrobu keramiky

POKYNY KE STUDIU Suroviny pro výrobu keramiky Pro předmět Suroviny pro výrobu keramiky 6. semestru studijního oboru Tepelná technika a keramické materiály jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu. 1.

Prerekvizity

Pro studium tohoto předmětu se předpokládá absolvování předmětu Keramické materiály nebo Keramika. 2.

Cíle předmětu a výstupy z učení

Cílem předmětu je seznámení se všemi druhy a typy surovin, se kterými se setkáváme v silikátovém průmyslu, počínaje těžbou nebo přípravou surovin, přes způsoby zkoušení a zpracování až po jejich vlastnosti a vysokoteplotní chování. Po prostudování předmětu by měl student být schopen: Získané znalosti: - charakterizovat vznik a vlastnosti základních surovin používaných v silikátovém průmyslu - umět formulovat pochody a reakce, které nastávají v surovinách při jejich zahřívání - bude umět popsat úpravárenské postupy a zařízení používající se při přípravě surovin pro výrobu silikátů Získané dovednosti: - bude umět orientovat ve způsobech přípravy pracovních směsí, způsobech tvarování keramických výrobků a v postupech stanovení vlastností surovin a keramických výrobků - bude umět aplikovat své teoretické poznatky k návrhům složení a úpravy pracovních směsí podle konkrétních požadavků Pro koho je předmět určen Předmět je zařazen do bakalářského studia oboru 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: Jednotlivé kapitoly mají vytýčené cíle, kterých by student měl po prostudování kapitoly dosáhnout. Pochopení látky je možné si ověřit ke konci každé kapitoly, kde jsou uvedeny pojmy, které by měl student znát a kontrolní otázky, na které by student neměl mít problém odpovědět. V závěru každé kapitoly je přiložen seznam literatury, ze které bylo při tvorbě opory čerpáno, a která může studentovi pomoci při studiu dané látky v širších souvislostech. Způsob komunikace s vyučujícími: V rámci semestru probíhá přímá kontaktní výuka předmětu v podobě několika vícehodinových bloků, během kterých studenti mohou uplatňovat své dotazy k probírané látce přímo k vyučujícímu. Během semestru mají také studenti možnost přímé komunikace 3


s vyučujícím formou individuálních konzultací nebo mohou s vyučujícím komunikovat například prostřednictvím emailu. Konkrétní požadavky na studenta týkající se organizace výuky a požadavků pro získání zápočtu, resp. zkoušky studenti obdrží na první hodině na začátku semestru. Kontaktní údaje na vyučující: Ing. Miroslava Klárová, Ph.D. Adresa: Studentská 11, Ostrava-Poruba, kancelář č.: N415 Telefon:597321525 Email: [email protected]

4


Obsah 1. ZÁKLADNÍ POJMY A TERMINOLOGIE .............................................. 7 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

Základní pojmy........................................................................................................................ 7 Všeobecná geologie................................................................................................................. 8 Historická geologie.................................................................................................................. 9 Dynamická geologie ................................................................................................................ 9 Všeobecná mineralogie – krystalografie ............................................................................... 10

2. VŠEOBECNÁ A SYSTEMATICKÁ MINERALOGIE ......................... 12 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.

Fyzikální vlastnosti................................................................................................................ 12 Chemické vlastnosti .............................................................................................................. 15 Voda v nerostech ................................................................................................................... 16 Dělení a charakteristika tříd mineralogického systému ......................................................... 17 VIII. Křemičitany (silikáty) ................................................................................................... 19

3. PETROLOGIE ............................................................................................ 22 3.1. 3.2. 3.3.

Vyvřelé horniny..................................................................................................................... 22 Usazené horniny .................................................................................................................... 24 Přeměněné horniny ................................................................................................................ 25

4. KERAMICKÉ SUROVINY ....................................................................... 27 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.

Plastické suroviny.................................................................................................................. 27 Neplastické suroviny ............................................................................................................. 33 Syntetické suroviny ............................................................................................................... 35 Pomocné suroviny ................................................................................................................. 36 Druhotné suroviny ................................................................................................................. 37

5. TĚŽBA, DOPRAVA A ÚPRAVA KERAMICKÝCH SUROVIN ......... 39 5.1. 5.2. 5.3.

Těžba, doprava a skladování surovin .................................................................................... 39 Úprava plastických surovin ................................................................................................... 40 Úprava neplastických surovin ............................................................................................... 41

6. TVAROVÁNÍ KERAMICKÝCH VÝROBKŮ, PŘÍPRAVA PRACOVNÍCH SMĚSÍ, ZÁKLADNÍ ZKOUŠKY ................................. 43 6.1. 6.2. 6.3. 6.4.

Tvarování keramických výrobků ........................................................................................... 43 Příprava pracovních směsí..................................................................................................... 44 Odběr a úprava vzorků .......................................................................................................... 45 Základní zkoušky .................................................................................................................. 45

7. SUROVINY PRO VÝROBU GLAZUR, SMALTŮ A KERAMICKÝCH POVLAKŮ ................................................................................................... 47 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5.

Glazura .................................................................................................................................. 47 Rozdělení glazur .................................................................................................................... 47 Suroviny pro výrobu glazur ................................................................................................... 48 Suroviny pro výrobu smaltů .................................................................................................. 50 Suroviny pro výrobu keramických povlaků .......................................................................... 50

5


8. SUROVINY PRO VÝROBU SKLA A SKLOKERAMIKY................... 52 8.1. 8.2. 8.3. 8.4.

Sklo........................................................................................................................................ 52 Suroviny pro výrobu skla ...................................................................................................... 52 Sklokeramika ......................................................................................................................... 54 Základní typy sklokeramických systémů .............................................................................. 54

9. SUROVINY PRO VÝROBU ANORGANICKÝCH POJIV .................. 56 9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7.

Rozdělení anorganických pojiv ............................................................................................. 56 Sádrová pojiva ....................................................................................................................... 56 Hořečnatá maltovina.............................................................................................................. 57 Cement .................................................................................................................................. 57 Vápno .................................................................................................................................... 57 Fosfátová pojiva .................................................................................................................... 58 Vodní sklo ............................................................................................................................. 58

6

Základní pojmy a terminologie


1.

Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 

definovat rozdíl mezi vědními obory mineralogie, petrologie a geologie vysvětlit pojmy nerost a hornina, krystal, krystalová struktura, krystalová mřížka, krystalografie



specifikovat, čím se zabývají výše uvedené vědní obory v bližších souvislostech

Výklad 1.1. 

Základní pojmy

Mineralogie

Mineralogie je nauka o minerálech (nerostech). Zabývá se jejich vznikem, přeměnami, výskytem, vlastnostmi a využitím. Mineralogii je dále možné členit na: 

všeobecnou – studuje obecné vlastnosti nerostů, jejich vnitřní strukturu, vnější tvar a způsob vzniku



systematickou – studuje nerosty podle chemického složení.

Ve všeobecné mineralogii je možné zabývat se krystalografií, která studuje vnější tvar nerostů a jejich strukturu nebo studovat chemické a fyzikální vlastnosti nerostů. Minerál (nerost) – je anorganická stejnorodá přírodnina, jejíž složení lze vyjádřit chemickou značkou nebo vzorcem. 

Petrologie Petrologie je nauka o horninách. Zabývá se jejich vznikem, přeměnami, výskytem atd.

Hornina – je přírodnina, která se obvykle skládá z několika nerostů, je nehomogenní. Horniny tvoří Zemskou kůru (ZK). 99 % všech hornin je tvořeno přibližně pouhými 30 minerály. Tyto minerály se označují jako horninotvorné a patří k nim například křemen, živce nebo slídy. Pro představu, jaký je rozdíl mezi horninou a nerostem následuje obr. 1. Je na něm žula jako hornina, která se skládá z minerálů křemene, živců (plagioklas a ortoklas) a slídy (biotit).

7


Obr. 1. Příklad horniny složené z několika minerálů. Zdroj: http://www.natur.cuni.cz/ugmnz/mineral 

Geologie

Geologie je věda, která se zabývá stavbou, složením a vývojem Zemské kůry i celé Země. Geologie se dále člení na: 

všeobecnou – viz definice



dynamickou – zabývá se silami a změnami v ZK



historickou – zabývá se vývojem ZK a vývojem života na Zemi



regionální – studuje geologické poměry určitého území.

1.2.

Všeobecná geologie

Planeta Země má tvar geoidu (osa otáčení je o 21, 4 km kratší než rovníkový průměr – je mírně zploštělá). Rovníkový poloměr je 6378 km. Průměrná hustota Země je 5,5 g.cm-3. Doba oběhu Země kolem Slunce je 1 astronomický rok, což je 365 dní, 5 hodin, 49 minut. Oběžná dráha je téměř kruhová. Roční období se střídají proto, že zemská osa je ukloněná na 66°, tzn. že v různých místech oběhu kolem Slunce svítí Slunce na jižní a severní polokouli Země s různou intenzitou. 

Zemská kůra (ZK)

Tloušťka Zemské kůry je 30 – 40 km, pod Himálají je až 70 km, naopak pod oceány pouze 10 km. Od pláště je oddělena Mohorovičičovou diskontinuitou. Složení ZK je následující a graficky je znázorněno na obrázku 2: 

sedimenty (usazeniny, nánosy) – jíly, písky



granitová vrstva – vytváří dna oceánů, žula



bazaltová vrstva - čedič



Mohorovičičova diskontinuita (MD)

8


SEDIMENTY MOŘE

GRANITOVÁ VRSTVA

BAZALTOVÁ VRSTVA MD PLÁŠŤ

Obr. 2. Složení Zemské kůry. Plášť – v plášti dochází k většině sopečných a zemětřesných procesů. Jádro – je složeno převážně ze železa se 7 % niklu a je tuhé. Jeho maximální teplota je do 6000 °C. Jádro je tuhé vlivem vysokých tlaků, které v něm panují.

1.3.

Historická geologie

Planety byly původně studené. Vlivem tlaku, rozpadu radioaktivních prvků a smršťování se celá Země roztavila. Těžké prvky klesly do jádra. A před 4 mld. let vznikla ochlazováním povrchu Zemská kůra. Ta je porušována sopečnou a tektonickou činností – vznikají plyny: H2, CO2, H2O, NH3, CH4. Došlo ke srážení vody z ovzduší – déšť – vznik oceánů. Před 3,5 mld. let začal vznikat život. Život Země dělíme na jednotlivá období: 

Prahory



Starohory



Prvohory – kambrium, ordovik , silur, devon, karbon, perm

V tomto období vznikají horniny vyvřelé (čedič, žula), usazené (břidlice, pískovce, vápence, lupky), černé uhlí, ložiska solí, sádrovce. 

Druhohory – trias, jura, křída

Období poměrně klidné, vznikají vápence, sádrovce, pískovce, ložiska křídy. 

Třetihory – starší, mladší

Toto období bylo velmi bouřlivé a je charakteristické velkou horotvornou činností – Alpy, Himálaj, Karpaty, Kavkaz, Andy, Rocky mountains. Kromě vzniku pohoří se objevuje také hnědé uhlí, ve starším období zpevněné usazeniny jako pískovce a břidlice, v mladším období potom sypké usazeniny jako štěrky, písky. 

1.4.

Čtvrtohory.

Dynamická geologie

Dynamická geologie se zabývá změnami v ZK a činiteli a silami, které tyto změny způsobují. Geologické síly dělíme na vnitřní a vnější. 

endogenní změny – jsou vyvolány vnitřními silami, vznikají v plášti a projevují se: pevninotvornými pochody (stoupání a klesání ZK, mění se rozměry a tvar světadílů, příkladem je stoupání pobřeží Finska a klesání Egypta), horotvornými pochody 9


(dochází k bočním tlakům, k vrásnění, příkladem jsou hluboké zlomy v mořích kolem vysokých pohoří) a vulkanismem (vulkanickou činností). 

izogenní změny – jsou doprovázeny častým zemětřesením, příkladem jsou 2 oblasti (pásy) častých zemětřesení: 1. pás tvoří Amerika – Andy, Kordiléry, Rocky Mountains, Aljaška, Japonsko, Filipíny, Nový Zéland a Antarktida; 2. pás tvoří Pyreneje, Alpy, Turecko, Afghánistán, Himálaj, Malajsie a zde se napojí na 1. pás.



exogenní změny – jsou vyvolány vnějšími silami, například působením tekoucí vody větru, ledovců, zvětráváním apod., probíhají na zemském povrchu.

Zemětřesení – doprovází většinu horotvorných a vulkanických pochodů. Vzniká mezi pláštěm a Zemskou kůrou. Rozlišují se dva základní typy zemětřesení: 

tektonické – toto zemětřesení je nejčastější a nejničivější, vzniká náhlým uvolněním nahromaděné energie v tektonicky aktivních oblastech, tedy v místech s poruchami zemské kůry, kde dochází k pohybu jednotlivých horninových bloků. Velká většina takovýchto zlomů je umístěna při okrajích tektonických desek, kde dochází k jejich vzájemné interakci.



vulkanické – toto zemětřesení doprovází sopečnou činnost a není zdaleka tak ničivé.

1.5.

Všeobecná mineralogie – krystalografie

Nerosty v krystalovém tvaru jsou ohraničeny pravidelnými stěnami. Toto ohraničení může být dokonalé nebo méně dokonalé. Někdy nerost nemusí mít ani jednu krystalovou plochu, přesto má ale krystalovou strukturu. 

Krystalová struktura

Krystalová struktura znamená pravidelné uspořádání částic, atomů, iontů, molekul, atd., a jestliže to vnější podmínky dovolí, může vznikat krystal. Krystaly narůstají od středu směrem k vnějšímu povrchu. 

Krystalová mřížka

Krystalová mřížka je modelem uspořádání částic v krystalu. Mezi částicemi působí jako spojnice přitažlivé síly. Podle velikosti těchto přitažlivých sil pak mají nerosty například vysoký nebo nízký bod tání, velkou nebo malou tvrdost apod. 

Krystal

Krystal je mnohostěn omezený pravidelnými přirozenými hladkými plochami. Krystaly mohou vyrůst jako: 

monokrystaly – všechny částice jsou v jedné krystalové struktuře, která je neporušená, vlastnosti se mohou v určitých směrech lišit – anizotropní – polovodiče z monokrystalů Si a Ge



polykrystaly – jsou tvořeny větším počtem malých krystalů, vlastnosti mají ve všech směrech stejné – izotropní – kovy.

Podle dokonalosti krystalizace se nerosty dělí na: 

krystalované – mají dokonalý tvar na všech nebo na většině ploch, mohou to být samostatné krystaly, drůzy (krystaly vyrostlé na ploché podložce) nebo geody (krystaly rostou dovnitř dutiny) 10






krystalické – jejich vnější tvar není patrný, protože to nedovolily vnější podmínky (je tu omezení jinými plochami), například došlo k prudkému poklesu teploty, částice neměly čas se uspořádat do pravidelných tvarů, přesto je vnitřní struktura uspořádaná (zjišťuje se pomocí RTG)



nekrystalické – jsou to nerosty, které nemají schopnost uspořádat mřížku a vytvořit nerost, mohou se sem řadit i nerosty, které za vhodných podmínek krystaly vytvářejí, ale za nepříznivých podmínek nestačily uspořádat vnitřní strukturu (nejčastěji velmi rychlé ochlazení).

Krystalografie

Krystaly rozdělujeme podle jejich souměrnosti do 6 soustav: kosočtverečná, čtverečná, krychlová, jednoklonná, trojklonná a šesterečná. Tyto soustavy se od sebe liší vzájemnou délkou jednotlivých os nebo úhlem, který tyto osy svírají, nebo počtem os.

Shrnutí pojmů kapitoly Po prostudování kapitoly by vám měly být jasné následující pojmy: 

mineralogie, petrologie, geologie



nerost a hornina, části planety Země



granit a bazalt



změny endogenní, izogenní a exogenní



typy zemětřesení



izotropní a anizotropní.

Otázky k probranému učivu Jaký je rozdíl mezi všeobecnou a systematickou mineralogií? Jakým nerostům říkáme horninotvorné a které to jsou? Jak se ve svých vlastnostech liší minerály izotropní a anizotropní? Co je drůza nebo geoda a o jakých nerostech mluvíme podle dokonalosti jejich krystalizace? 5. Jaká bude struktura nerostu, při jehož vzniku došlo k prudkému ochlazení? 6. Jak vznikají nekrystalické nerosty? 1. 2. 3. 4.

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu    

CHVÁTAL, M. Úvod do systematické mineralogie. Praha: Silikátový svaz, 2005. SLIVKA, V. a kol. Těžba a úprava silikátových surovin. Praha: Silikátový svaz, 2002. Mineralogie pro školy. In: Přírodovědecká fakulta UK v Praze [on-line]. [cit. 2013-05-07]. Dostupné z: http://www.natur.cuni.cz/ugmnz/mineral Geologie. [cit. 2013-06-28]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Geologie 11

Všeobecná a systematická mineralogie


2.

Čas ke studiu: 4 hodiny Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete



se umět orientovat ve vlastnostech minerálů a budete znát jejich význam pro praktické aplikace



chápat princip polymorfie a izomorfie, také rozdíl mezi vodou v nerostech vázanou a volnou vědět, co jsou silikáty z hlediska jejich struktury, jak se podle struktury dělí a budete znát jejich nejvýznamnější zástupce



Výklad 2.1.

Fyzikální vlastnosti Mezi základní fyzikální vlastnosti nerostů patří těchto 12 následujících:

            

tvrdost hustota štěpnost lom pružnost lesk barva propustnost světla vryp žárovzdornost elektrické vlastnosti magnetismus.

Tvrdost

Tvrdost je odpor minerálu proti vniknutí cizího tělesa. Závisí na pevnosti vazby mezi částicemi v krystalové struktuře nerostu. Čím je vzdálenost částic menší, tím je vazba zpravidla pevnější a nerost tvrdší. Pro srovnání tvrdosti minerálů existuje 10 členná stupnice tvrdosti, která se nazývá Mohsova stupnice tvrdosti (viz obr. 3). Tvrdost jako charakteristický znak minerálů má i praktický význam. Nejtvrdší minerál diamant se používá na výrobu vrtáků, speciálních nožů apod. měkké minerály jako grafit, jílové minerály se používají k výrobě maziv. Nevýhody stupnice jsou tři základní:  

nestejný tvrdostní interval mezi jednotlivými stupni (největší je před diamantem) stejné nerosty mohou být různě tvrdé (podle nalezišť) 12




některé nerosty neexistují v čistém stavu.

STUPEŇ

MINERÁL

POZNÁMKA můžeme rýpat nehtem

1

Mastek

2

Halit (sůl kamenná, sádrovec)

3

Kalcit (vápenec)

4

Fluorit (kazivec)

5

Apatit

6

Živec

7

Křemen

8

Topaz

9

Korund

10

Diamant

můžeme rýpat nožem

rýpe do skla

Obr. 3. Mohsova stupnice tvrdosti. Tvrdost je nejčastěji určována Zkouškou tvrdosti podle Vickerse, která spočívá ve vnikání zkušebního tělesa (diamantového čtyřbokého jehlanu) do zkoumaného materiálu, přičemž je zjišťována míra deformace tohoto materiálu. 

Hustota

Hustota určuje, kolikrát je určitý objem nerostu těžší než stejný objem destilované m vody 20 °C teplé. Vypočte se podle následujícího vztahu   a udává se v jednotkách V g.cm-3 , resp. kg.m-3. Jak vyplývá ze vztahu, jednoduchým porovnáním hmotností minerálů lze odhadnout, jakou budou mít hustotu. Malou hustotu má například sádrovec, střední hustotu má křemen a velkou hustotu mají například sulfidy nebo kovové prvky. Určení hustoty provádíme pyknometrickou metodou, hustoměrem, Mohrovými vážkami nebo v odměrném válci. 

Štěpnost

Štěpnost je schopnost nerostů štípat se podle rovných lesklých štěpných ploch ve směrech, kde je nejmenší soudržnost. Počet směrů (rovin) štěpnosti může být u různých minerálů různý. Záleží to na vzájemné přitažlivosti atomů v jednotlivých směrech. Jestliže jsou atomy v jedné vrstvě mřížky přitahovány většími silami než atomy ze dvou různých vrstev, je štěpnost dobrá. Jestliže je přitažlivost mezi všemi atomy stejná je štěpnost špatná. Nerosty mohou mít štěpnost:    

výbornou – slída, sádrovec dokonalou – NaCl (sůl kamenná, halit), kalcit dobrou – živec, fluorit nedokonalou (špatnou) – síra, granát 13

Všeobecná a systematická mineralogie  

velmi nedokonalou (minerály neštěpné) – korund, křemen.

Lom

Lom mají nerosty s nulovou štěpností. Čím dokonalejší je štěpnost minerálu, tím méně se u něj projevuje lom a naopak. Některé nerosty se lámou podle nerovných ploch. Lomové plochy nejsou závislé na struktuře. Podle vzhledu lomové plochy rozeznáváme lom:    

miskovitý, lasturnatý – opál, křemen vláknitý hákovitý nerovný – pyrit.

Zvláštní skupinou jsou kujné nerosty, patří mezi ně většina kovů – Au, Ag, Cu, které se nerozpadají, ale lze je rozklepat do tenkých plíšků. 

Pružnost

Pružnost je schopnost látky měnit svůj tvar pod působením síly bez porušení celistvosti a po uvolnění tlaku se vracet do původního tvaru. Nerosty pak dělíme:     

pružné – slída křehké – sůl plastické – horniny – jíly kujné – zlato, stříbro.

Lesk Lesk je schopnost odrážet světlo z přirozených ploch. Rozlišuje se lesk:       



diamantový – je charakteristický pro průhledné minerály se silným lomem světla – diamant, sfalerit kovový – je charakteristický pro opakní neprůhledné minerály, které odrážejí většinu dopadajícího světla, například sulfidy a ryzí kovy, jako jsou pyrit nebo galenit perleťový – při vzniku tohoto lesku dochází k lomu a odrazu dopadajícího světla – slídy, sádrovec hedvábný – vyskytuje se nejčastěji u vláknitých minerálů – azbest skelný – je typický u průhledných minerálů a vyskytuje se ze všech lesků nejčastěji – křemen, fluorit matný – je velmi slabý – kaolinit mastný – mastek, tuha.

Barva

Barva je důležitou vlastností minerálů a podle příčiny, která způsobuje zbarvení minerálů je dělíme na:   

barevné – barva je způsobena druhem a uspořádáním atomů, barevný nerost má vždy stejné zabarvení, stejnou barvu jako nerost mívá obvykle i jeho vryp, například – magnetit – černý, malachit – zelený, atd. bezbarvé – čiré nerosty, které mají bílý vryp – křemen, sůl kamenná bez příměsí zbarvené – barva je ovlivněna příměsemi (i vzduchovými bublinami), ale jejich vryp zůstává bílý, šedý nebo jen slabě zabarvený. 14


Minerály mohou mít 2 i více barev. Typickým příkladem je minerál křemen, který existuje jako čirý – křišťál, bílý – obecný, hnědý – záhněda, žlutý – citrín, fialový – ametyst, růžový – růženín, atd. 

Propustnost světla Podle propustnosti světla rozlišujeme nerosty:   



průhledné – čiré – křišťál, barevné – ametyst průsvitné – propouštějí světlo jen částečně, jsou neprůhledné – dají se rozlišovat jen nejasné kontury nebo světlo/tma – mléčný křemen neprůsvitné – nepropouštějí světlo vůbec – magnetovec.

Vryp

Vryp je barva nejjemnějšího prášku nerostu, který nerost zanechá rýpnutím, otřením o bílou neglazovanou porcelánovou destičku. U zbarvených nerostů bývá světlý, křemen má vryp bílý. Barva vrypu nemusí souhlasit s barvou nerostu barevného, pyrit, který je žlutý má vryp černozelený. 

Žárovzdornost

Žárovzdornost je schopnost některých minerálů odolávat vysokým teplotám. Například muskovit, který se používá jako izolační materiál – žárovzdorná okénka do kamen, grafit (tuha) – bod tání 3500 °C. 

Elektrické vlastnosti

Dobrými vodiči elektrického proudu jsou kovy (Cu, Ag, Au) a grafit. Nevodivé jsou jílové minerály nebo uhličitany. 

Magnetismus   

2.2.

feromagnetické nerosty – mají pozorovatelné magnetické vlastnosti, přitahují Fe (magnetit) paramagnetické nerosty – magnetismus se projevuje jen za přítomnosti vnějšího magnetického pole, paramagnetické látky jsou také přitahovány magnetickým polem, ale nedokážou udržet magnetismus bez přítomnosti vnějšího pole (rutil, beryl, siderit) diamagnetické nerosty – magnetismus se projevuje jen za přítomnosti vnějšího magnetického pole, při vložení diamagnetické látky do vnějšího pole, dojde v látce k zeslabení magnetického pole (diamant, halit, křemen).

Chemické vlastnosti

Mezi základní chemické vlastnosti nerostů patří těchto 5 následujících:     

chemické složení polymorfie izomorfie reakce s kyselinami rozpustnost ve vodě

15

Všeobecná a systematická mineralogie 

Chemické složení

Minerály jsou složeny z malých částic – atomů, iontů, molekul. Chemické složení minerálů se vyjadřuje chemickou značkou (síra – S) nebo chemickým vzorcem (galenit – PbS). Minerály se podle chemického složení a vnitřní stavby rozdělují do devíti tříd mineralogického systému. 

Polymorfie

Polymorfní nerosty mají stejné chemické složení, ale vznikly za různých podmínek. Mohou proto krystalovat v různých soustavách. Typickým příkladem je:   

diamant C – tvrdost 10, čirý, šesterečná soustava, nevodivý grafit (tuha) C – tvrdost 1, šedý, krychlová soustava, vodivý.

Izomorfie

Izomorfní nerosty mají různé složení, ale stejné nebo velmi podobné vlastnosti. Izomorfní nerosty tvoří přirozené řady, například uhličitany kalcitové řady: Vápenec (kalcit) CaCO3, který přichází do styku s vodou s obsahem Mg iontů se postupně mění na dolomit CaCO3.MgCO3, dále pak na magnezit MgCO3, pak na siderit FeCO3. Dochází k postupné záměně Ca iontů za Mg ionty a pak za Fe ionty. Podmínkou izomorfie je:    

stejný anion (například CO3-II) kationty v obou nerostech mají mít přibližně stejný poloměr a stejný náboj oba nerosty mají mít stejnou soustavu a podobný krystalový tvar.

Reakce s kyselinami

Nejčastěji se používá reakce se zředěnou kyselinou chlorovodíkovou (HCl) k důkazu uhličitanů. U některých uhličitanů reakce probíhá za studena, u jiných za zvýšené teploty. Zlato se rozpouští v lučavce královské, což je směs HNO3+HCl. 

Rozpustnost ve vodě Ve vodě je rozpustný halit (sůl kamenná – NaCl).

2.3.

Voda v nerostech

Rozlišujeme tři základní druhy vody, která se vyskytuje v nerostech. Její druh a množství v minerálech lze zjistit metodami termické analýzy. 

Voda chemicky vázaná

Voda chemicky vázaná je součástí sloučeniny, bývá přítomna ve formě hydroxylových OH skupin. Odchází při teplotách nad 400 °C a je to změna nevratná. To znamená, že se mění chemická podstata sloučenin. Ke ztrátě této vody dochází při zvýšení teploty skokem – dehydroxylace. Mastek Mg(OH)4Si2O10 (3MgO.4SiO2.H2O) 

Voda krystalová

Voda krystalová je vázána slabými silami. Její množství není přesně dáno. Při odchodu se mění uspořádání, barva a další fyzikální a chemické vlastnosti. Je to změna 16


vratná. Při zahřátí uniká po částech – dehydratace. Molekuly vody se píší nakonec vzorce za tečkou. Sádrovec CaSO4.2H2O 

Voda volná

Voda volná se neúčastní stavby krystalové mřížky. Je jí proměnlivé množství, je vázána velmi slabými silami. Uniká postupně, často v závislosti na vlhkosti prostředí. Je to změna vratná. Značí se na konci vzorce symbolem nH2O za tečkou. Křemen SiO2 – Opál SiO2.nH2O Vodu vázanou a vodu volnou nelze někdy zcela přesně odlišit. Proto byla pro odlišení přijata konvenční hranice 110 °C. Vodu, která unikne do 110 °C, považujeme za volnou (v analýzách je označována H2O-). Vodu, která unikne nad touto hranicí, považujeme za vodu vázanou (označení H2O+).

2.4.

Dělení a charakteristika tříd mineralogického systému

Jednotlivé druhy nerostů byly uspořádány do přehledného systému a to účelně podle jejich chemického složení a vnitřní stavby. Základní jednotky systému jsou třídy (9), skupiny, minerální druhy a jejich odrůdy. Počty minerálních druhů v jednotlivých třídách jsou různé. Druhově nejbohatší jsou křemičitany, dále fosforečnany, sulfidy atd. Druhově nejchudší jsou organické minerály a prvky. 

Třídy mineralogického systému I.

Prvky

II.

Sulfidy

III.

Halogenidy

IV.

Oxidy a hydroxidy

V. VI.

Uhličitany Sírany

VII.

Fosforečnany

VIII.

Křemičitany

IX.

Organické nerosty Přírodní skla (nepatří do mineralogického systému)



I. Prvky

V přírodě existuje přes 20 nerostů tvořených samostatnými prvky. Dělí se na kovy: především jsou to měď, zlato, stříbro, železo, platina, nekovy: uhlík, síra, a polokovy: bismut, arsen, antimon. Ryzí kovy jsou v přírodě nápadné barvou, vysokou hustotou, mají kovový lesk, a jsou ohebné a kujné. Často jsou dobrými vodiči elektrického proudu. Nejvýznamnější nerosty: diamant, grafit (tuha), měď, stříbro, zlato, platina, síra.

17


II. Sulfidy (sirníky)

Sulfidy jsou soli kyseliny sirovodíkové (H2S). Sulfidy tvoří důležité rudy všech kovů. Mají většinou kovový lesk a vyšší hustotu. Vznikly většinou z horkých roztoků, často tvoří rudní žíly a poměrně snadno se rozkládají. Od ryzích kovů se liší hlavně tím, že nejsou kujné, jsou křehké. Nejvýznamnější nerosty: pyrit, sfalerit, galenit, rumělka, antimonit, chalkopyrit, markazit. 

III. Halogenidy (halovce)

Halogenidy jsou sloučeniny fluoru, chloru, bromu a jodu. Halogenidy mají podobné vlastnosti: mají slanou nebo hořkou chuť, většinou jsou dobře rozpustné ve vodě a jejich vodné roztoky vedou velmi dobře elektrický proud. Mají vyšší teplotu tání, nemají kovový vzhled a mají dokonalou štěpnost. Nacházejí se nejčastěji v rozpuštěném stavu v moři. Při geologickém vývoji Země došlo k oddělení mořských zálivů od moře, tyto zálivy vyschly a vznikla obrovská solná ložiska. Fluorit vzniká také z horkých roztoků a nachází se v rudních žilách. Tudíž vznikají vysrážením z mořské vody nebo z hydrotermáních roztoků. Nejvýznamnější nerosty: sůl kamenná (halit), fluorit. 

IV. Oxidy a hydroxidy

Oxidy jsou sloučeniny kyslíku. Patří sem nerosty navzájem odlišné vlastnostmi i způsobem vzniku a výskytu. V přírodě vznikají vylučováním z tavenin i roztoků. Tyto nerosty se vyznačují poměrně vysokou tvrdostí a hustotou. Hydroxidy ve své struktuře obsahují hydroxylové skupiny (OH-) nebo molekuly vody. Z toho vyplývá i přítomnost mnohem slabších vazeb než je tomu u oxidů, a proto mají hydroxidy nižší tvrdost i hustotu. Nejvýznamnější nerosty: křemen, opál, korund, rutil, hematit, magnetit, uraninit, kasiterit (cínovec), chromit, limonit; hydrargillit (gibbsit), brucit, dispor, böehmit. 

V. Uhličitany (karbonáty)

Uhličitany jsou soli kyseliny uhličité. Patří mezi běžné nerosty Zemské kůry. Lze je rozdělit na bezvodé a vodnaté. Mají výrazně nekovový vzhled. Nejdůležitějším zástupcem této skupiny je kalcit, který se vyskytuje také jako hornina (vápenec, mramor). Uhličitany jsou poměrně lehké a mají většinou světlé barvy, jen výjimečně jsou výrazně barevné (malachit, azurit). Zředěnými kyselinami se snadno rozkládají. Při reakci se uvolňuje CO2. vznikají vylučováním z chladných i horkých roztoků (najdeme je v rudních žilách). Nejvýznamnější nerosty: kalcit, magnezit, dolomit, aragonit, siderit, malachit, azurit. 

VI. Sírany (sulfáty)

Sírany jsou soli kyseliny sírové. Bývají obvykle světlé, průhledné nebo průsvitné a poměrně měkké. Obvykle je dělíme na bezvodé a vodnaté. Nerosty této třídy jsou v naprosté většině produkty zvětrávání. Vyskytují se jako usazeniny moří nebo jezer. V pouštích krystalují sírany ze vzlínající podzemní vody poblíž zemského povrchu a tvoří tak známé pouštní růže ze sádrovce. Výjimku tvoří baryt, který se vyskytuje v rudních žilách. Nejvýznamnější nerosty: anhydrit, baryt, modrá skalice, sádrovec.

18


VII. Fosforečnany (fosfáty)

Fosforečnany jsou soli kyseliny fosforečné. Minerály této skupiny lze rozdělit na bezvodé a vodnaté. Apatit a několik dalších minerálů fosforu jsou magmatického původu. Nejvýznamnější nerosty: apatit.

2.5.

VIII. Křemičitany (silikáty)

Křemičitany jsou sloučeniny oxidu křemičitého. Tyto minerály jsou největší třídou nerostů a jsou také nejdůležitější součástí ZK. Tvoří ji z 85 %. Jsou také součástí kamenných meteoritů. Důležité křemičitany jsou živce, slídy, granáty, amfiboly a pyroxeny (tedy téměř všechny horninotvorné nerosty). V přírodě jsou hojné a rozšířené především jako součást hornin. Křemičitany mohou mít velmi komplikované složení a strukturu. Mají rozmanité vlastnosti, nekovový vzhled, jsou zbarvené, a v tenkých lupíncích průhledné. Většinou jsou lehké, tvrdé (výjimka je mastek) a těžko tavitelné. V kyselinách se rozkládají jen málo nebo vůbec. Vznikají z magmatu nebo také zvětráváním jiných křemičitanů (kaolinit). 

Struktura křemičitanů

Základní strukturní jednotkou jsou čtyřstěny. Jedná se o velmi pevnou vazbu, proto jsou to sloučeniny chemicky odolné, s vysokým bodem tání a většinou tvrdé. Na kyslících ve čtyřstěnech mohou být navázány další kationty (Ca, Mg, Fe, Na, K). Čtyřstěn neboli tetraedr (4 kyslíky okolo křemíku) představuje strukturu nesosilikátů. Pokud jsou ve struktuře tetraedry spojeny po dvou, jedná se o sorosilikáty, polymerizací do skupin vznikají cyklosilikáty, do řetězců pak inosilikáty, do vrstev fylosilikáty a prostorově polymerizují tektosilikáty. 

Rozdělení křemičitanů na podtřídy A Nesosilikáty B Sorosilikáty C Cyklosilikáty D Inosilikáty E Fylosilikáty F Tektosilikáty



Charakteristika jednotlivých podtříd

Keramicky nejzajímavější jsou podtřídy fylosilikáty a tektosilikáty, protože do těchto skupin patří jílové minerály plastických surovin a také minerály neplastických surovin. 8.A Nesosilikáty Nesosilikáty mají tetraedry v krystalové struktuře navzájem uloženy nezávisle. Nerosty této třídy se vyznačují poměrně velkou hustotou, vysokým indexem lomu a relativně vysokou tvrdostí (6,5 – 8). Patří sem většinou nerosty velmi stálé, chemicky a mechanicky nejodolnější. Nejvýznamnější nerosty: granát, olivín, topaz, mullit, zirkon, andaluzit, kyanit, sillimanit.

19


8.B Sorosilikáty Tetraedry sorosilikátů se spojují do dvojic nebo jiných malých skupin tak, že sdílejí po jednom rohu, obsazeném jedním kyslíkem. Sorosilikáty mají spíše význam jako horninotvorné nerosty. Jejich průmyslové využití je spíše výjimečné. Nejvýznamnější nerosty: epidot, melilit. 8.C Cyklosilikáty Cyklosilikáty mají tetraedry spojeny do prstenců, které mohou být tří, čtyř a šestičlenné. Nejvýznamnější nerosty mají strukturu šestičlennou. Nejvýznamnější nerosty: beryl, cordierit, turmalín. 8.D Inosilikáty Inosilikáty mají tetraedry spojené vždy protilehlými rohy se dvěma dalšími tetraedry tak, že vytváří nekonečné řetězce, které mohou být jednoduché nebo dvojité, vzácněji i vícenásobné a ve struktuře jsou uloženy navzájem rovnoběžně. Podle typu řetězce rozeznáváme nerosty skupiny pyroxenů, které mají jednoduché řetězce, a nerosty skupiny amfibolů s dvojitými řetězci. Tyto nerosty se vyznačují zpravidla protáhlým, sloupcovitým, stéblovitým až vláknitým tvarem. Jednotlivé nerosty inosilikátů jsou si značně podobné. Inosilikáty jsou především významné horninotvorné nerosty a jejich průmyslové využití je velmi omezené. Nejvýznamnější nerosty: amfibol, augit, enstatit, spodumen. 8.E Fylosilikáty Tetraedry fylosilikátů polymerizují tak, že mají tři vrcholové kyslíky navzájem společné a vznikne tak rovinná síť tetraedrů. Pevná vazba mezi Si a O v tetraedrech a poměrně slabé vazby mezi vrstvami tetraedrů jsou příčinou některých fyzikálních vlastností – fylosilikáty jsou výborně štěpné a to rovnoběžně s vrstvami tetraedrů. Až na výjimky mají u fylosilikátů všechny tetraedry v síti shodnou orientaci. Nejvýznamnější nerosty: biotit, muskovit, mastek, kaolinit, halloysit, montmorilonit, pyrofylit, vermikulit. 8.F Tektosilikáty Tektosilikáty mají tetraedry vázány do prostorové stavby sdílením všech vrcholů s dalšími tetraedry. Charakter vazby tetraedrů do prostorové struktury dává prostor vzniku dutin relativně velkých rozměrů, což se projevuje i na fyzikálních vlastnostech jako je poměrně nízká hustota a nízké hodnoty indexu lomu. Nejvýznamnější nerosty: albit, anortit, ortoklas, křemen, zeolity. 

IX. Organické minerály

Organické minerály se liší od všech předchozích tříd původem, protože vznikly rozkladem organismů. Nejvýznamnějším zástupcem je jantar, který vznikl zkameněním pryskyřic třetihorních stromů. 

Přírodní skla

Přírodní skla jsou látky sklovité povahy, které nemají jednotné chemické složení. Nejvýznamnější z nich jsou tektity – skla spojovaná s kosmickými tělesy. České tektity se nazývají vltavíny, podle Vltavy, v jejímž povodí se nalézá většina jejich lokalit. 20



fyzikální a chemické vlastnosti minerálů



silikáty, jejich dělení, vlastnosti a zástupce.

Otázky k probranému učivu 7. Jaké jsou metody stanovení hustoty? 8. Jaký je vztah mezi štěpností a lomem? 9. Jaký je rozdíl mezi pružností a plastičností? 10. Co je polymorfie a izomorfie, můžete uvést příklad takových nerostů? 11. Jak poznáme, že voda v nerostu je volná nebo vázaná? 12. Pro který z nerostů je typické, že se může vyskytovat také jako hornina? 13. Které minerály obsahuje ZK především? 14. Podle čeho přiřazujeme minerály do tříd mineralogického systému? 15. Jaká je základní struktura křemičitanů a jak se podle ní dále rozdělují? 16. Jaký význam mají v keramickém průmyslu fylosilikáty a tektosilikáty?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu     

BERNARD, J.H., ROST, R. Encyklopedický přehled minerálů. Praha: Academia, 1992. HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. Praha: SNTL, 1988. CHVÁTAL, M. Úvod do systematické mineralogie. Praha: Silikátový svaz, 2005. Mineralogie pro školy. In: Přírodovědecká fakulta UK v Praze [on-line]. [cit. 2013-05-07]. Dostupné z: http://www.natur.cuni.cz/ugmnz/mineral Zkouška tvrdosti podle Vickerse. [cit. 2013-06-28]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Geologie

21

Petrologie

3.

Petrologie Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl   

Po prostudování tohoto odstavce budete

vědět, jak vznikají horniny a jak je podle jejich vzniku dělíme umět rozlišovat a definovat pojmy vulkanismus a magmatismus a jejich podstatu chápat, jak vznikají základní keramické suroviny

Výklad Podle způsobu vzniku a původu rozdělujeme horniny na:   

vyvřelé (vyvřeliny, eruptiva, magmatit) – tvoří 95 % ZK usazené (sedimenty) – pokrývají většinu povrchu Země přeměněné (metamorfity).

Vyvřeliny – vznikají krystalizací ze žhavotekuté taveniny, zvané magma. Minerály vyvřelin jsou křemen, živce, amfiboly, pyroxeny. Sedimenty – vznikají zvětráváním již existujících hornin a následným přenosem a usazením zvětralého materiálu. Minerály usazenin jsou jílové minerály – například kaolinit, vápenec, sádrovec. Přeměněné horniny – se tvoří strukturní či minerální přestavbou již existujících hornin pod vlivem změny teploty nebo tlaku. 

Tvar a omezení minerálů v horninách   

3.1.

vlastní omezení – všechny nebo převážná většina ploch krystalu jsou dokonale vyvinuty, krystalizovaly jako první částečně cizí omezení – některé plochy se nevyvinuly (vadily jim ostatní krystaly) cizí omezení – nejsou vyvinuty žádné krystaly, plochy jsou tvořeny cizími krystaly, krystalizovaly jako poslední

Vyvřelé horniny

Vyvřeliny jsou produktem sopečné činnosti a vznikají z magmatu. Magma je roztok roztavených hornin uvnitř Země, který se po vylití na povrch se nazývá láva. Podle barvy dělíme lávu (vyvřeliny) následovně:  

světlá – obsahuje větší procento SiO2 – je kyselá, má vysokou viskozitu, vytváří homole, má vyšší bod tání tmavá – obsahuje méně SiO2, hlavně živce, pyroxeny, amfiboly – je zásaditá, má nízkou viskozitu, vytváří kupy, má nízký bod tání.

Existují dva způsoby, kterými láva vytéká na povrch a s tím souvisí také typ sopky, který vzniká: 22

Petrologie

 

bez výbuchu – láva obsahuje málo bublin (efuzivní vulkanismus), vznikají při tom víceméně ploché sopky o velkém průměru, tzv. štítové sopky s výbuchem – láva je rozmetána do okolí tlakem plynů, obsahuje bubliny, vznikají pyroklastika (explozivní vulkanismus), vznikají sopky vulkánového typu.

Sopka, jejíž kužel je tvořen vyléváním lávy a hromaděním pyroklastik se nazývá stratovulkán. Pyroklastika představují lávový materiál, roztříštěný sopečnou explozí na částice rozmanité velikosti. Mezi vyvřelé horniny se řadí žula, gabro, pegmatity, čedič, znělec. 

Vyvřeliny podle velikosti krystalů a zástupci jednotlivých skupin  

 

horniny hlubinné – magma tuhlo velmi pomalu, velké krystaly, tvoří rozsáhlá podpovrchová tělesa – plutony, typickým příkladem jsou žuly, gabra horniny podpovrchové – magma zpočátku tuhlo v hloubce pomalu, a když se dostalo na povrch tuhlo rychle, vzniká porfyrická struktura, tzn. velké krystaly jsou obklopeny krystaly menšími nebo dokonce sklovinou, tvoří doprovod hlubinných těles, vznikají v menších hloubkách pod povrchem, tvoří žíly, lakolity, příkladem jsou pegmatity horniny výlevné – jsou tvořeny malými krystalky nebo sklovitou strukturou, příkladem jsou znělec a čedič

Magmatismus

Tavením hornin za vysokých teplot a tlaků ve spodní kůře a svrchním plášti vzniká tavenina – magma, jejíž hustota je nižší než hustota hornin ve stejné hloubce v tuhém stavu. Magma proto postupně vystupuje k povrchu. Tento proces označujeme jako intruzivní magmatismus (intruze), pokud magma nedosáhne zemského povrchu. Intruzivní tělesa    

lakolity – žilná, bochníkovitá tělesa, vzniklá vyklenutím pláště pod tlakem většinou kyselého magmatu žíly – pravé, nepravé pně – malá intruzivní tělesa, která mají suboválný obrys a u nichž, podobně jako u batolitů, zpravidla není známo podloží batolity a plutony – největší a nejdůležitější hlubinná tělesa, většinou granitoidních hornin, petrograficky i strukturně značně nejednotná, zakořeněná jsou v hlubších částech ZK, takže je jejich podloží neznámé

Pokud magma na zemský povrch vystoupí, jedná se o extruzivní magmatismus – vulkanismus. Extruzivní tělesa  

lávové příkrovy, lávové proudy, pyroklastika, vulkanické a výtlačné kupy

Projevy sopečné činnosti   

plynné – H2S, SO2, páry síry, chlor, HCl, CO2, CO, páry vody kapalné – láva pevné – sopečné bomby, lapilli, sopečný písek a popel

Zbytkovými projevy sopečné činnosti jsou vřídla a gejzíry. 23

Petrologie

3.2.

Usazené horniny

Na rozdíl od vyvřelin, které jsou horninami prvotními, se usazeniny a ostatní typy hornin z nich odvodily až druhotně. Usazeniny vznikly větráním vyvřelých, přeměněných a jiných usazených hornin. Podle posouzení plošného rozšíření typů hornin na zemském povrchu jsou převládající horninou sedimenty. Mezi usazeniny se řadí následující horniny: suť, štěrk, brekcie, slepenec, písek, pískovce, křemence, spraš, jíly, lupky a další. Ke vzniku sedimentu je třeba několika na sebe navazujících pochodů. 

Vznik sedimentu    

zvětrávání odnos usazování zpevňování

Zvětrávání Zvětrávání zahrnuje pochody vedoucí na zemském povrchu k rozpadu již existujících hornin. Existuje několik typů zvětrávání:   

mechanické – hornina se rozpadá, aniž se mění její chemické složení, způsobují ho rozdíly teplot (roztavování + smršťování, mráz + voda ve skulinách, otěr, voda, vítr, písek) biologické – způsobují ho kořeny rostlin, živočichové – žížaly, podíl mají i bakterie a nejnižší živočichové chemické – dochází ke změnám složení samotné horniny, účinky chemického zvětrávání se zvyšující s teplotou, je vyvoláno především vodou a látkami v ní rozpuštěnými (zejména CO2, O2, hydratací vodou), ke vzniku usazenin dochází i odpařováním vody (ložiska soli) nebo změnou pH vody, velkou roli při tomto způsobu zvětrávání hraje i hydrolýza, chemický proces, při kterém se složité chemické sloučeniny štěpí vlivem disociační schopnosti vody, štěpí se tak i prakticky nerozpustné minerály jako jsou silikáty – například ve vlhkém klimatu vznikají ze živců vodnaté hlinitokřemičitany – kaolinit.

Odnos  

vlastní vahou – pád shora, sesouvání větrem, vodou, ledem

Usazování  

dochází k němu, když pominou síly unášecí, síly způsobující odnos (zpomalení proudu vody, větru) bezprostředně po usazení bývá materiál sypký, tvárlivý, nezpevněný

Zpevňování 

dochází ke slehávání hlavně tlakem nadložních vrstev, což je spojené se snižováním pórovitosti, případně dochází ke snižování množství vody nebo může docházet ke stmelování úlomků. 24

Petrologie

Tmely     

jílový vápencový železitý křemičitý – nejpevnější

Uložení usazených hornin

Primární struktury sedimentů jsou vrstvy a soubory vrstev. Typickým znakem většiny sedimentárních hornin je vrstevnatost, což je schopnost členění na víceméně zřetelná deskovitá tělesa – vrstvy. Vrstva Vrstva je deskovité těleso, víceméně stejného složení, které je Vůči svému nadloží a spodní vrstvě přibližně v horizontální poloze. Vrstvu mohou tvořit horniny vyvřelé, usazeniny i metamorfované. Mocnost Označuje tloušťku vrstvy. Souvrství Opakují-li se vrstvy přibližně stejného složení, mluvíme o souborech vrstev neboli souvrství. Komplexu vrstev, postupně na sebe uložených, říkáme vrstevní sled. Uložení vrstev v souvrství pak může být souhlasné nebo nesouhlasné, které vzniká tak, že po usazení prvních vrstev došlo k pohybu v ZK – vrstvy jsou šikmé, pak usazování pokračovalo. Nadloží Vrstva nebo těleso nad danou vrstvou se označuje jako nadloží. Opakem nadloží je podloží. 

Rozdělení sedimentů

Podle velikosti částic:    

úlomkovité (nad 2 mm) písčité (0,05-2 mm) prachové (0,002-0,05 mm) jílovité (menší než 0,002 mm).

Podle vzniku:   

3.3.

mechanické – písek chemické – sádrovec biologické (organogenní) – křemelina, křída.

Přeměněné horniny

Přeměněné horniny (metamorfity) vznikají z vyvřelin i usazenin všesměrnými tlaky a vysokými teplotami. Při všesměrném tlaku nemůže být hornina rozdrcena. I když je hornina pevná, dochází k přeskupování vazeb a hornina se chová jako plastická. Textura je uspořádání částic v horninách. Uspořádání částic bývá většinou rovnoběžné, což vede k odlučnosti v deskách, plástech, vrstvách, někdy je i stébelnatá. 25

Petrologie

Přeměněné horniny jsou především ortobřidlice a parabřidlice.


vyvřelina, sediment a metamorfit



magma, láva, vulkanismus, magmatismus



druhy zvětrávání

Otázky k probranému učivu 17. Jak vznikají vyvřeliny, usazeniny a přeměněné horniny a jaké jsou jejich hlavní minerály? 18. Jaké rozeznáváme druhy lávy, respektive vyvřelin podle barvy? 19. Jak vzniká štítová nebo vulkánová sopka? 20. K čemu dochází při procesu zvětrávání? 21. Vyjmenujte alespoň jednoho zástupce každého druhu sedimentu podle jejich vzniku. 22. Které horniny označujeme jako prvotní, a které jako druhotné a proč?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu  

HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. Praha: SNTL, 1988. KONTA, J. Keramické a sklářské suroviny. Praha: Univerzita Karlova, 1982.

26

Keramické suroviny

Keramické suroviny

4.

Čas ke studiu: 12 hodin Cíl       

Po prostudování tohoto odstavce

pochopíte, proč rozdělujeme keramické suroviny prvotně na plastické a neplastické dozvíte se, jakou podobnost mají jíly, hlíny a písky budete umět vysvětlit, proč právě jílové minerály mají zásadní význam pro výrobu keramiky, a které jsou ty nejdůležitější budete vědět, jakou mají jílové minerály strukturu a jak vznikají dozvíte se, jakou funkci jednotlivé druhy surovin při výrobě keramiky zastávají pochopíte, jaké pochody a reakce se dějí se surovinami při jejich zahřívání budete se orientovat v surovinách přírodních, umělých, pomocných a druhotných

Výklad Keramické suroviny jsou minerály nebo horniny, které se používají k výrobě keramických výrobků. Základní rozdělení keramických surovin je na:  

plastické – jíly, hlíny, kaoliny neplastické – ostřiva, taviva.

První dvě skupiny zahrnují vesměs suroviny přírodní, ke kterým díky rostoucím nárokům na kvalitu a čistotu surovin přibyly suroviny vyrobené průmyslově. Neodmyslitelné jsou také materiály, které nejsou přímo součástí výrobní hmoty nebo nemají po výpalu výrobku rozhodující vliv na jeho vlastnosti. V současnosti je také aktuální trend ve zpracování odpadních surovin z jiných průmyslových odvětví. Proto můžeme dále rozlišit ještě tyto suroviny:   

4.1.

syntetické – oxidy, neoxidové materiály pomocné – sádra, šelak, mýdla, epoxidové pryskyřice, voda, atd. druhotné – vysokopecní struska, elektrárenský popílek, keramický výmět.

Plastické suroviny

Plastické suroviny tvoří po přídavku určitého množství vody plastické těsto. Plastické těsto se dá vnějšími silami trvale deformovat bez porušení celistvosti. Tedy působením vnějších sil je lze tvarovat, a jakmile vnější síly přestanou působit, zachová si tvar, který mu byl těmito silami dán.

27

Keramické suroviny 

Klasifikace plastických surovin

Podmínkou plastických vlastností surovin je vysoká disperznost (jemnost) materiálu a přítomnost jílových minerálů (pro jejich schopnost vázat na svém povrchu vodu a různé ionty a vyměňovat je s ionty okolního prostředí. Plastické suroviny patří z hlediska zrnitosti do skupiny jemnozemí. Jemnozemě jsou zeminy, které vznikly zvětráváním hornin a mají částice o velikosti do 2 mm. Jsou tvořeny třemi podíly, které jsou vymezeny velikostí částic.   

pískovina – 2 mm až 0,05 mm prachovina – 0,05 mm až 0,002 mm jílovina – menší než 0,002 mm (2 m)

Jílovina je nejjemnější podíl jemnozemí a je tvořena především částicemi jílových minerálů. Její obsah je z hlediska klasifikace plastických surovin nejdůležitějším faktorem. Ze surovin zahrnutých v diagramu jemnozemí, patří mezi plastické suroviny jíly, hlíny a spraše. Jíly Jíly jsou jemnozemě s obsahem jíloviny vyšším než 50 %. Hlíny a spraše Hlíny a spraše jsou jemnozemě s 20 – 50 % jíloviny. Liší se od sebe obsahem ostatních podílů. Spraše obsahují více prachoviny, hlíny obsahují více pískoviny. Písky a prachy Písky a prachy jsou jemnozemě s 20 % jíloviny a vzájemně se liší podílem pískoviny a prachoviny. V píscích převažuje pískovina, prachy mají naopak vysoký podíl prachoviny. Schematicky lze jemnozemě znázornit a rozdělit následujícím způsobem (viz obr. 4).

Obr. 4. Schematické rozdělení jemnozemí. 28


Jílové minerály

Jílové minerály rozdělujeme do 3 základních skupin utvořených podle chemického a mineralogického složení minerálů v ní zařazených. Jejich přehled uvádí obrázek 5. Z hlediska keramického jsou nejdůležitější nerosty sialitické, protože z nich především jsou složeny hlíny, jíly a kaoliny. skupina

nerost

vzorec

Illity

-

SIALITY (Si-Al)

Kaolinit

Al2O3.2SiO2.2H2O

vodnaté křemičitany hlinité

Halloysit

Al2O3.2SiO2.4H2O

Montmorillonit

Al2O3.4SiO2.nH2O

Böhmit, Diaspor, Hydrargylit

Al2O3.3H2O

Mastek

3MgO.4SiO2.H2O

ALITY (Al) hydráty hlinité

výskyt Illitické jíly slídy surový kaolin jíly jílovce (lupky) halloysit halloysitický jíl bentonit montmorilonitický jíl bauxit laterity

SIMGITY (Si-Mg) vodnaté křemičitany hořečnaté

-

Obr. 5. Přehled jílových minerálů. 

Struktura jílových minerálů

Jílové minerály jsou charakteristickou složkou plastických keramických surovin. Jsou nositeli vlastností typických pro plastické suroviny – plastičnost, ztekutitelnost, pevnost a bobtnavost. Mají vrstevnatou strukturu a velmi jemné částice. Po chemické stránce jsou to hlinitokřemičitany, které mají ve struktuře hydroxidové skupiny. Druh a struktura jílového minerálu obsaženého v plastické surovině a velikost a tvar částic určují vlastnosti suroviny. Struktura jílových minerálů je tvořena vrstvami tetraedrů, v nichž je křemíkový atom obklopen čtyřmi atomy kyslíku, a vrstvami oktaedrů, kde je hliníkový atom obklopen šesti atomy kyslíku. Jílové minerály mají obvykle strukturu dvojvrstvou nebo trojvrstvou. U dvouvrstvých minerálů se střídá vždy jedna vrstva tetraedrů a jedna vrstva oktaedrů (dvojvrství), u trojvrstvých minerálů je vždy obklopena jedna vrstva oktaedrů vrstvami tetraedrů (trojvrství). Základní dvojvrství nebo trojvrství jsou uvnitř vázána pevnými iontově kovalentními vazbami, zatímco jednotlivá souvrství jsou mezi sebou vázána jen slabými Van der Wallsovými silami. To je důvod, proč mají jílové minerály charakteristický destičkovitý tvar částic a štěpnost po vrstvách. Voda je v jílových minerálech vázána v podobě hydroxidových skupin nebo molekulárně v prostorách mezi souvrstvími. Podle uspořádání základních útvarů se jílové minerály dělí na:  

dvojvrstvé – kaolinit, halloysit, (dickit, nakrit) trojvrstvé – montmorillonit, illity. 29


Vznik jílových minerálů

Jílové minerály vznikají jako produkty zvětrávání vyvřelin (žula, čedič), metamorfitů (rula, svor) i sedimentů (živcové arkózy). Hlavními složkami zmíněných hornin jsou živce, křemen, slída. Zrna křemene jsou naleptávána alkalickými roztoky, draslík může být navázán na mřížku vznikajícího illitu, sodík je odnášen a hromadí se v mořích (NaCl). Dále se uvolňuje hořčík a vápník, které se částečně váží na vznikající montmorillonit, křemík vstupuje do struktury uvedených minerálů a kaolinitu. Slídy postupně přecházejí na illit. Podle podmínek zvětrávání a typu horniny vznikají tyto základní jílové minerály:   

skupina kaolinitu – minerály vznikají zvětráváním živců (především draselných), žul a rul v kyselém prostředí (pH 4-5) při poměru Al2O3:SiO2 1:2 skupina montmorillonitu – minerály vznikají zvětráváním živců (sodnovápenatých) ze sopečných vyvřelin a tufů (láva+popel) v zásaditém prostředí a poměru Al2O3:SiO2 1:3 až 4 skupina illitu – minerály vznikají v počátečním stádiu zvětrávání živců na kaolinit nebo montmorillonit.

Kaolinizace Kaolinizace je proces vzniku kaolinitu, který můžeme vyjádřit pomocí rovnice takto:

K 2 O  Al 2 O3  6SiO2  CO2  2H 2 O  Al 2 O3  2SiO2  2H 2 O  K 2 CO3  4SiO2 Draselný živec

Kaolinit

Nejprve dochází k hydrataci živce – vznikají jako přechodná fáze nerosty příbuzné slídám, vyplavuje se K2CO3. Po další hydrataci dochází k dalšímu vyluhování K2CO3 a vzniku kaolinitu. Surový kaolin je přeměněná hornina, bílá až žlutá, která obsahuje 20 – 50 % kaolinitu (výplav bývá okolo 30 %). Převážnou část tvoří křemičitý písek, který se po vyplavení používá ve stavebnictví. Příměsi, které jsou v surovém kaolinu přítomny, jsou 50 – 80 % písek, slída, sloučeniny železa. Uložení a těžba kaolinu Kaolin je uložen ve třech zónách. Základ tvoří žula, která je směrem k povrchu stále více kaolinizovaná.   

spodní zóna – v kaolinu zde zůstávají částečně živcová zrna a biotit druhá zóna – zůstávají jen největší zrna živců, biotit je rozložen a je zdrojem Fe horní zóna – živce a biotit jsou rozloženy

Kaolin se těží z nejvrchnější zóny. Nad nejvrchnější zónou může být vyplavený kaolin (nejkvalitnější) a nad ním je ještě nadloží tvořené ornicí. 

Vysokoteplotní reakce jílových minerálů

Všechny jílové minerály prodělávají při zahřívání na vysoké teploty postupně četné chemické a strukturní přeměny. Zjišťují se pomocí DTA – diferenční termické analýzy. Zjednodušeně řečeno se porovnává teplota ve vzorku kaolinu s teplotou vzorku Al2O3, ve kterém neprobíhá žádná reakce. Při endotermické reakci roste teplota kaolinu pomaleji, tzn. prodlévá směrem dolů, při exotermické reakci je tomu naopak. 30

Keramické suroviny

Zvlášť zřetelné a typické jsou tyto změny u kaolinitu: 

První nevýrazná změna nastává při teplotě 100 °C, kdy odchází adsorbovaná voda, která není součástí struktury kaolinitu a její množství v dané surovině kolísá s vlhkostí prostředí.



Nejvýraznější efekt se projevuje při teplotě 600 °C, kdy dochází k odchodu krystalové vody (dehydroxylace kaolinitu), projevuje se to silnou endotermickou reakcí, provázenou ztrátou hmotnosti a malým smrštěním, kaolinit přechází na metakaolinit.



Při dalším růstu teploty v rozmezí 950 – 1000 °C dochází k ostře exotermické reakci, které neodpovídá žádná změna hmotnosti, ale dochází ke zřetelnému smrštění, postupně vzniká spinel a uvolňuje se SiO2 ve formě cristobalitu.



Dalším zahříváním se tento spinel rozpadá a při teplotě minimálně 1200 °C vzniká jako konečný produkt mullit a další cristobalit.

Al 2 O3  2SiO2  2H 2 O  Al 2 O3  2SiO2  2H 2 O  2 Al 2 O3  3SiO2  SiO2  3 Al 2 O3  2SiO2  SiO2 kaolinit

metakaolinit

spinel+cristobalit

mullit+cristobalit

Ostatní jílové minerály, se kterými se setkáváme v keramických surovinách, prodělávají při zvýšení teploty obdobné změny jako kaolinit. Illity a zejména montmorillonity vážou více adsorbované vody a tato vazba v prostorách mezi souvrstvími je pevnější než u vody adsorbované na povrchu kaolinitu, což se projevuje výraznějším efektem na křivkách DTA a posunem křivek k vyšším teplotám při odchodu této vody. U montmorillonitů jde o maximum při teplotě 150 – 170 °C. Dehydroxylační reakce bývá méně výrazná než u kaolinitu a bývá u montmorilonitů posunuta výše až k teplotě 700 °C, což ukazuje na pevnější vazbu hydroxylové skupiny. Illity se na rozdíl od kaolinitu v oblasti dehydroxylace nesmršťují, naopak mírně expandují. 

Druhy plastických surovin

Podle stupně plastičnosti  

mastné – plastičtější s větším obsahem jílových částic hubené (neboli krátké) – méně plastické s menším obsahem jílových částic nebo s hrubozrnnějšími jílovými částicemi

Podle hlavního jílového minerálu   

kaolinitické montmorilonitické illitické atd.

Podle charakteristické příměsi 

například vápenaté, železité, křemičité apod.

Podle použití (nejdůležitější)    

kaoliny cihlářské hlíny a jíly kameninové jíly pórovinové jíly 31

Keramické suroviny

    

Vlastnosti plastických surovin      



hrnčířské a kamnářské jíly žárovzdorné / žáruvzdorné jíly jílovce bentonitické jíly

plastičnost vaznost průtažnost chování při sušení chování při výpalu barva po výpalu

Naleziště plastických surovin v České republice

Kaoliny Kaoliny pro keramický průmysl se u nás nacházejí v oblasti Karlových Varů, Plzně a Podbořan. Karlovarské kaoliny – nejkvalitnější kaoliny a od roku 1924 tvoří jeden z nich kaolin Sedlec Ia světový standard. Potřebné vlastnosti (chemické složení, ztekutitelnost, plastičnost, pevnost po vysušení, bělost a další) se získávají mísením kaolinů z jednotlivých lokalit především kolem Božíčan a Sadova. Používají se hlavně pro výrobu porcelánu a glazur. Podbořanské kaoliny – kaoliny hůře až obtížně ztekutitelné (což způsobuje asi vyšší obsah montmorillonitu), ale díky tomu mají vysokou pevnost v ohybu po vysušení. Proto se používají na vytváření z plastického těsta a část do sanitární keramiky. V současnosti se těží ložisko Krásný Dvůr. Plzeňské kaoliny – hrubozrnné kaoliny používající se pro výrobu dlaždic, obkladaček, zdravotnické keramiky, pro výrobu izolačních minerálních vláken. Nalézají se zde ve třech oblastech: Kaznějov, Horní Bříza, Chlumčany. Jíly Jíly se v ČR nacházejí v celé řadě oblastí, z nichž některé jsou známé rozsahem, širokým sortimentem a kvalitou surovin. Chebská pánev – je nejvýznamnější dodavatel jílů vhodných pro všechny druhy keramiky. Těží se tu jíly pórovinové, kameninové, žárovzdorné. Ložiska jsou v okolí Skalné: Suchá, Nová Ves, Vackov a další. Křídová oblast v okolí Prahy – Kostelec nad Černými lesy – žárovzdorné jíly (oblast Brník), pórovinové jíly (ložisko Zadní Kopanina). Kladensko-Rakovnická oblast – jílovce pro výrobu šamotových ostřiv (Nové Strašecí, Lubná), jíly pro výrobu obkladaček (Hostomice), červené kameninové jíly (Kačírov u Rakovníka). Severočeská pánev – bentonity (Kadaň, Most). Plzeňsko – jíly pro výrobu obkladaček (Kyšice), kameninové jíly (Břasy), červené kameninové jíly (Žilov, Ledce). 32

Keramické suroviny

Jihočeská pánev – jíly pro výrobu kanalizační kameniny (Borovany), středně žárovzdorné jíly (Jehnědno, Zliv), dále jíly cihlářské, hrnčířské, kamnářské. Morava – žárovzdorné jíly a jílovce pro výrobu šamotu (Březina, Mladějov).

4.2.

Neplastické suroviny

Neplastické suroviny s vodou netvoří plastické těsto. Přidávají se k plastickým surovinám pro dosažení vhodných vlastností hmoty důležitých při sušení a výpalu i pro vlastnosti konečného výrobku. Neplastické suroviny nemají takové jednotící pojítko, jakým jsou jílové minerály u plastických surovin. Patří sem látky zcela odlišných struktur, takže nejlepší rozlišovací kritérium pro neplastické suroviny je funkce, jakou surovina plní v keramické hmotě nebo ve výrobním procesu. Základní rozdělení neplastických surovin:   

ostřiva taviva.

Ostřiva

Ostřivo je neplastická surovina odolávající vysokým teplotám. Za syrova snižuje plastičnost těsta a tedy i smrštění sušením. Tím omezuje riziko vzniku vad při sušení. Ostřivo při výpalu tvoří kostru keramického výrobku a omezuje sklon k deformaci za vysokých teplot. Ostřiva dělíme je do několika skupin:    

křemičitá hlinitokřemičitá (šamotová) spalitelná uhlíkatá.

Účinky ostřiva jsou opačné než u pojiva. Jako ostřiva nejčastěji slouží písek a křemen (rozemleté), v žárovzdorných hmotách bývá ostřivo nositelem žáruvzdornosti: SiC, šamot. Spalitelnými ostřivy jsou piliny, sláma. Funkce ostřiva Ostřivo má v pracovní hmotě nejen snížit přílišnou plastičnost jílů a zmenšit tak smrštění při sušení a výpalu, ale také má dosáhnout zpevnění střepu dobrým spojením ostřiva s pojivem při výpalu. Ostřivo tedy vytváří kostru výrobku, zvyšuje poréznost a žáruvzdornost. Pro správné spojení ostřiva s pojivem je důležitý poměr velikosti zrn ostřiva a jejich tvar. Ostřivo má rovnoměrně vyplňovat celý prostor a nejvýhodnějším tvarem jsou ostrohranná zrna. Křemičitá ostřiva Hlavní složkou křemičitých ostřiv je křemen (SiO2). Používá se žilný křemen (zřídka), křemenné písky, křemence. Vysoký obsah SiO2 má také křemelina. Zvláštností křemičitých ostřiv je jejich chování při výpalu. Krystalické modifikace SiO2 prodělávají při zahřívání a chlazení modifikační přeměny spojené s objemovým nárůstem při zahřívání či objemovou kontrakcí při chlazení. Písky sklářské, nejvhodnější pro keramickou výrobu, jsou těženy především v oblastech Střeleč (Mladějov) a Provodín. 33

Keramické suroviny

Hlinitokřemičitá ostřiva Hlinitokřemičitá ostřiva (šamotová), jsou materiály, které již jednou prošly výpalem. Všechny fyzikální a chemické změny v nich již proběhly, proto jsou tato ostřiva při výpalu výrobku stálá, a to až do teploty, kterou byla vypálena. Jako nejkvalitnější šamotová ostřiva se používají vypálené jíly, kaoliny nebo lupky. Suroviny se vypalují v rotačních nebo šachtových pecích. Často se také zužitkovává výmět z vlastní výroby, tj. pálené střepy. Vlastní střepy se používají jako ostřivo do hmot pro obkladačky, dlaždice, zdravotnickou keramiku nebo šamot. Spalitelná ostřiva Spalitelná ostřiva jsou taková, která za syrova snižují plastičnost těsta, při výpalu ovšem vyhoří, takže ve střepu vzniknou póry. Lze je tedy označit za lehčiva. Používají se zejména tehdy, chceme-li docílit zvýšení tepelně izolačních vlastností střepu. Nejběžnější spalitelná ostřiva jsou dřevěné piliny, uhelný prach, sláma apod. Lze použít také suroviny, které mají určitý tvar a velikost částic, jako kuličkový polystyren. Při vyhořívání spalitelných ostřiv mohou vznikat plynné zplodiny, které jsou škodlivé. Je proto nutné zajistit, aby se nebezpečné látky nedostaly do ovzduší. Uhlíkatá ostřiva Pro výrobu některých keramických materiálů se používají ostřiva, jejichž hlavní nebo podstatnou součástí je uhlík. 

Taviva

Taviva jsou suroviny přidávané do keramických hmot slinujících za účasti kapalné fáze, jejichž účelem je vytvoření potřebného množství taveniny. V syrovém stavu se téměř neprojevují nebo snižují plastičnost, hlavně se však vyznačují tavicím účinkem při výpalu, kdy spojují jednotlivé části hmoty. Během výpalu roztávají a jsou zdrojem skloviny, která reaguje jak s povrchem ostřiv, tak s pojivy a dalšími jemnými částicemi. Zvyšují transparenci výrobků, snižují jejich žárovzdornost a pórovitost. Podle tavicího účinku je dělíme na:  

taviva živcová (základní, přímá, I. skupiny) taviva neživcová (eutektická, nepřímá, II. skupiny).

Taviva živcová Jsou to suroviny s nižší teplotou tání, než je teplota slinutí dané hmoty, které tedy tvoří taveninu beze změny složení. Mezi živcová taviva patří živec sodný (albit) – Na2O.Al2O3.6SiO2, živec draselný (ortoklas) – K2O.Al2O3.6SiO2 , živec vápenatý (anortit) – CaO.Al2O3.2SiO2 (v keramice se používá málo) a jejich směsi. Živcová taviva se do hmot dodávají živcovými surovinami. Zásadité oxidy se mohou vzájemně zastupovat, proto živce v těchto čistých formách neexistují. Mohou se vyskytovat živce sodnodraselné – oligoklasy, a živce sodnovápenaté – plagioklasy, nemohou existovat živce draselnovápenaté. Těžba a použití živců Živcové suroviny se u nás těží v lokalitách Poběžovice, Halámky, Krásno u Horního Slavkova. Protože se u nás nevyskytují čisté živce, těžíme suroviny s jejich obsahem, ke 34

Keramické suroviny

kterým patří živcové pegmatity, usazené živcové štěrkopísky, nízko procentní živcovou surovinu vznikající při plavení kaolinů, tzv. pegraf. Živce se jako taviva používají především při výrobě porcelánu, zdravotnické keramiky, dlaždic a pro přípravu glazur. Taviva neživcová Jsou to suroviny, které reakcí s některými složkami základního materiálu tvoří taveninu o nižší teplotě tání, než je teplota tání těchto složek v čistém stavu. Při výpalu dochází k jejich rozkladu a interakci vzniklých oxidů s dalšími složkami hmoty. Vznikají tak zpravidla nízkotavitelné eutektické směsi. Jejich účinek je podmíněn celkovým složením hmoty. Patří mezi ně vápenec, dolomit, magnezit a mastek. Při výpalu samotných uhličitanů vápenatých a hořečnatých nad 1000 °C vznikne slínek, který se pak stává hlavní surovinou pro výrobu žárovzdorných hmot.

4.3.

Syntetické suroviny

V současnosti již keramická výroba nevystačí s přírodními surovinami. Neustále rostoucí nároky na kvalitu a vlastnosti výrobků, zejména v oblasti technické a speciální keramiky zpřísňují i požadavky na vstupní suroviny. Je vyžadována vysoká čistota, homogenita, přesně definované granulometrické a mineralogické složení atd. Takové suroviny se připravují průmyslově nebo chemickou cestou a patří k nim zejména suroviny pro výrobu oxidové a neoxidové keramiky. Jsou to Al2O3, TiO2, ZrO2, MgO, CaO, Y2O3, BeO, SiC, Si3N4, B4C a další. Syntetické suroviny dělíme na:   

oxidy neoxidové materiály.

Oxid hlinitý Al2O3

Oxid hlinitý je v keramice nejpoužívanějším oxidem. Průmyslově je vyráběn především zpracováním přírodního bauxitu takzvaným Bayerovým postupem. Bauxit je hornina, která obsahuje hydroxid hlinitý - gibbsit Al(OH)3 nebo některé z hydroxidů-oxidů hlinitých jako je böhmit -AlOOH, diaspor -AlOOH. 

Oxid zirkoničitý ZrO2

Surovinami pro přípravu oxidu zirkoničitého jsou minerály zirkon ZrSiO4 a baddeleyit ZrO2. Zirkonový koncentrát, který je produktem několika stupňového čištění zirkonu, je základem pro výrobu žárovzdorných hmot. Baddeleyit se těží jen ojediněle. 

Oxid titaničitý TiO2

Pro průmyslové účely se TiO2 vyrábí z přírodního ilmenitu FeTiO3. Ilmenit se rozkládá kyselinou sírovou v autoklávu, následuje hydrolýza vzniklého TiOSO4 (síran titanylu) na TiO(OH)2 oxid-hydroxid titaničitý. Kalcinace oxidu-hydroxidu titaničitého se pak provádí v rotační peci při teplotě asi 900 °C, kdy vznikne TiO2.

35


Karbid křemíku SiC

Karbidy se připravují redukcí oxidu kovu s uhlíkem. Jsou vysoce tvrdé, stabilní, s dobrou tepelnou a elektrickou vodivostí. Nejvýznamnější je SiC, který se připravuje syntézou SiO2 s koksem v elektrické odporové peci při teplotě 2200 °C. Mezi další významné karbidy patří B4C, UC a WC. 

Nitrid křemíku Si3N4

Nejvýznamnějším nitridem je nitrid křemíku, lze ho připravit několika způsoby. Například reakcí křemíku s dusíkem při teplotě 1000 – 1200 °C, nebo může vzniknout reakčním slinováním přímo ve výrobku (výpal výrobku z SiC s přídavkem Si v dusíkové atmosféře). 

Boridy a silicidy

Boridy jsou velmi stabilní a použitelné do 3000 °C. MoSi2 se používá v elektrických odporových pecích jako ochranný povlak topných článků z SiC, 1650 °C, v oxidační atmosféře.

4.4.

Pomocné suroviny

V keramice se používá řada materiálů, které nejsou přímo součástí výrobní hmoty, nebo se do ní používají, ale nemají po výpalu rozhodující vliv na vlastnosti konečného výrobku. K těmto materiálům patří zejména sádra, šelak, mýdla, fermež, sírografit, epoxidové pryskyřice, ztekucovadla, oleje, plastifikátory a také voda. 

Sádra

Sádra je jednou z nejdůležitějších pomocných surovin v keramice. Základní surovinou pro její výrobu je sádrovec CaSO4.2H2O. Sádra se používá k výrobě modelů a forem pro výrobu porcelánu a sanitární keramiky, kde se využívá jejích vhodných vlastností, kterými jsou zejména pevnost a schopnost odsávat vodu. Používá se také jako anorganické sádrové pojivo, patří mezi maltoviny, které jsou hlavní součástí malt, betonů. 

Šelak

Při výrobě sádrových forem a rozmnožovacích zařízení se velmi často nalévá na jeden sádrový kus (například model) další vrstva sádry. Roztok šelaku slouží jako separační vrstva, která umožňuje oddělení sádrových kusů od sebe. Šelak je pryskyřice, kterou vylučuje určitý druh indického tropického hmyzu k ochraně svých larev. Rozpouští se v lihu nebo acetonu. Roztokem se natírá sádra v několika vrstvách tak, aby se vytvořila kompaktní vrstva a povrch sádry se uzavřel. 

Fermež

Fermež je v podstatě zahuštěný lněný olej. Používá se opět jako separační materiál například k natírání rozmnožovacích zařízení. Poskytuje pevnější vrstvu než šelak. 

Mýdla Mýdla se připravují rozvařená našlehaná s olejem. Použití totéž. 36


Sírografit

Sírografit je hmota, připravená tavením síry s grafitem 4:1 při teplotě 120 °C. Tato hmota je velmi houževnatá, a proto se používá k odlévání modelů, které v sádrovém provedení často praskají, například ouška. Používá se také jako tmel pro spojení keramiky a kovu (porcelánový izolátor s kovovou armaturou). 

Epoxidová pryskyřice

Protože sádra je málo pevná jako materiál pro výrobu rozmnožovacích zařízení, hledal se nějaký trvanlivější materiál. Nyní se rozmnožovací zařízení a často i modely vyrábějí z epoxidové pryskyřice. Jsou to dvousložkové organické materiály a podle poměru mísení je lze připravit například jako tvrdší nebo pružnější. 

Ztekutiva

Při lití vodních suspenzí je nutné převést keramickou hmotu do tekutého stavu při co nejnižším obsahu vody (kolem 30 – 40 %), přičemž zároveň nesmí docházet k sedimentaci. K tomu slouží ztekutiva. Jsou to látky, které do keramické směsi dodávají kationty, obsazující povrch jílových částic (nejčastěji Na+) namísto kationtů původně přítomných (většinou Ca2+, Mg2+). Tím dojde ke změně poměrů v rozdělení elektrických nábojů ve hmotě. Vzniklé micely, jílové částice s vodním obalem s ionty se vzájemně odpuzují. Jako ztekutiva se používají například soda, vodní sklo. Tyto látky obalují povrch jílových částic a brání jim ve vzájemné interakci. Při ztekucování dojde k tomu, že jednotlivé jílové částice, které se původně přitahovaly (koagulace a následná sedimentace), se při použití vhodného ztekutiva odpuzují (deflokulace). 

Plastifikátory

Plastifikátory jsou látky dodávané do hmoty v malém množství. Prudce zvyšují plastičnost, pevnost – fungují jako lepidlo. Většinou se jedná o látky spalitelné, například karboxymethylcelulóza, sulfitový louh, dextrin. 

Voda

Voda slouží jak k přípravě hmot, tak i glazur a k rozdělávání sádry. Nároky na čistotu vody jsou kladeny hlavně tam, kde by obsah některých nečistot mohl způsobit nežádoucí zabarvení střepu nebo jiné vady. Důležitá je i tvrdost vody, protože obsah vápenatých nebo hlinitých solí může například bránit ztekucení hmot. Voda by neměla obsahovat sírany a chloridy. S ohledem na pH vody, voda s nízkým pH podporuje koagulaci jílových částic v suspenzích. Je nutné také věnovat pozornost čistotě vypouštěných odpadních vod.

4.5.

Druhotné suroviny

Tak jako v jiných oborech i v keramice se setkáváme se snahou zužitkovat druhotné suroviny. K těm v keramice patří například vysokopecní struska, která se používá granulovaná, protože taková je převážně skelná s minimálním obsahem krystalických fází. Díky převážně sklovité struktuře pak napomáhá při hydratačních procesech při výrobě cementu. Další využívanou druhotnou surovinou je elektrárenský popílek, který slouží jako lehčivo v tepelně izolačních materiálech, kde má za úkol vytvořit ve výrobku po výpalu póry.

37

Keramické suroviny

Poslední je keramický výmět, neboli střepy z vlastní výroby, u kterých je důležité, že již prošly výpalem, takže již mají konečné mineralogické složení. Používají se jako ostřivo a díky jejich zpracování se šetří přírodní zdroje a snižuje se procento odpadu.


plastické a neplastické suroviny



pojivo, ostřivo, tavivo



druhy, vzorce, struktura a výskyt vodnatých křemičitanů hlinitých



kaolinit, kaolinizace, kaolín



tavivo přímé a nepřímé



eutektická směs



Bayerův postup



ztekutivo / ztekucovadlo, plastifikátor, lehčivo

Otázky k probranému učivu 23. Co je základem plastických surovin a jako funkci plní ve hmotě? 24. Jaké známe druhy sialitických minerálů podle struktury? 25. Jaký je rozdíl mezi kaolínem a kaolinitem? 26. Jaký je rozdíl mezi surovým a plaveným kaolínem? 27. Jak se chová kaolinit při zahřívání a jak to lze zjistit? 28. Jak dělíme plastické suroviny podle použití? 29. Jaké suroviny používáme nejčastěji jako ostřivo a jaké suroviny jako tavivo? 30. Jak funguje ve hmotě při zahřívání tavivo základní a jak tavivo eutektické? 31. Kdy použijeme pro výrobu keramiky suroviny syntetické? 32. Jaký je princip ztekucování? 33. Jaké znáte druhotné suroviny využívané v keramickém průmyslu?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu      

HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. Praha: SNTL, 1988. POSPÍŠIL, Z., KOLLER, A. a kol. Jemná keramika. Praha: SNTL, 1981. ZÁDRAPA, K. Keramické suroviny a jejich úprava. Praha: SNTL, 1971. HERAINOVÁ, M. Keramické suroviny a jejich úprava. Praha: Silikátový svaz, 2003. SMOLOVÁ, I. Těžba nerostných surovin na území ČR a její geografické aspekty. Olomouc: UP Olomouc, 2008. ŠPÍS, J. Modelářství porcelánu a keramiky. Karlovy Vary, 2004. 38

Těžba, doprava a úprava keramických surovin


5.

Čas ke studiu: 2 hodin Cíl   


si ozřejmíte postup při průzkumu a hodnocení ložiska budoucí suroviny se dozvíte, jaký je rozdíl v těžbě plastických a neplastických surovin budete vědět, jaké úpravárenské postupy a jaká zařízení se používají při přípravě surovin pro výrobu keramiky

Výklad 5.1.

Těžba, doprava a skladování surovin

Česká republika má i při své rozloze světově významná ložiska nerudních surovin, a to především kaolinu, živcových surovin, bentonitu a sklářských písků. Jedná se o důležité keramické suroviny, díky kterým je výroba keramiky a sklářství v naší zemi tradiční. Nachází se u nás také ložiska kvalitních vápenců, ekonomický význam mají také ložiska stavebního kamene, štěrkopísků a cihlářských surovin. Většina keramických surovin se těží povrchovým způsobem. Hlubinně se těží pouze některé druhy žárovzdorných jílovců a kaolinů. 

Průzkum a hodnocení ložiska

Ložiska keramických surovin se nejlépe hledají pomocí vrtů. Pozemek se rozdělí na čtverce a v rozích čtverců se provádějí vrty. Vrtné práce jsou prováděny soupravami pomocí trubkových vrtáků s vrtnou korunkou. Hornina uvnitř vrtáku se nazývá vrtné jádro, které je postupně ukládáno pro rozbory a vyhodnocuje a zjišťuje se kvalita ložiska, jeho mocnost, hloubka pod povrchem a jeho kvalita (ta se může měnit ve svislém i vodorovném směru). Následuje doprůzkum ložiska opět pomocí vrtů, kdy je síť vrtů zhuštěna. Účelem je nalezení nejbohatších partií a ujasnění stavby ložiska. Posuzuje se kvalita surovin, jejich chemické a technologické vlastnosti, a kvantita surovin, mocnost a plocha ložiska. Na základě těchto informací se zhotoví tzv. technologické mapy, kdy je v místě vrtu na mapě zakreslen sloupec s vyznačenou mocností suroviny a hloubkou uložení. Pro otevření ložiska se berou v úvahu následující faktory: 

kvalita suroviny



zásoba suroviny (vydatnost ložiska)



hloubka uložení suroviny (náročnost odkryvu)



umístění ložiska v terénu (přístupnost)



kvalita nadloží a podloží (například nebezpečí pronikání spodních vod)



ekologická hlediska (rekultivace)



majetkoprávní vztahy (vlastník pozemku, přístupové cesty) 39




vzdálenost od továrny.

Teprve po posouzení nejdůležitějších faktorů se rozhodne o otevření ložiska a zahájení těžby. 

Těžba plastických surovin

Těžba plastických surovin se provádí povrchově lžícovými, lopatovými, kolesovými nebo korečkovými rypadly. Nejprve se provádí skrývka ornice a nadložních vrstev buldozery a bagry. Různé vrstvy v ložisku mohou mít různé vlastnosti a účel použití. Proto se suroviny zařazují do obchodních značek s vymezenými parametry. V jednom ložisku bývá několik obchodních značek, které se liší například nějakým vizuálně rozlišitelným parametrem (především písčitostí, barvou a pevností). 

Těžba neplastických surovin

Vzhledem k tomu, že se jedná o suroviny tvrdé, těží se většinou odstřelem v lomech pomocí trhavin. Písky se těží pomocí vodních děl, která rozrušují pískovou stěnu a zároveň splavují písek k třídičkám. Voda při těžbě současně písek promývá. 

Doprava surovin

Doprava surovin z místa těžby se provádí pásovými dopravníky (pokud je ložisko v těsné blízkosti závodu), nákladními auty, železnicí (na větší vzdálenosti), nebo i lanovkou (při velkých výškových rozdílech). Suroviny se přepravují buď volně ložené v uzavřených vagónech (tzv. rajky), z nichž se do skladu přemisťují pneumaticky, v kontejnerech nebo pytlované. 

Skladování surovin

Některé suroviny, které nejsou znehodnocovány povětrnostními vlivy, je možné skladovat volno prostorově na haldách. U některých druhů surovin je dokonce působení povětrnostních vlivů žádoucí. Například u jílů a hlín se zlepšuje plastičnost a může docházet k rozkladu některých nežádoucích příměsí, jako jsou pyrity a organické zbytky. Suroviny, které lze skladovat na haldách, se skladují v krytých skladech v oddělených boxech. Ty musí být řádně označeny a nesmí docházet k nekontrolovanému promíchání. Zvlášť choulostivé a drahé suroviny, jako jsou glazury a barvítka se skladují v kontejnerech nebo barelech.

5.2.

Úprava plastických surovin

Plastické suroviny jsou značně nestejnorodé a bývají v ložisku silně znečištěny přimíšeninami, které zhoršují technologické vlastnosti. V takových případech je nutné surovinu upravit. Smyslem úpravy je zlepšit zpracovatelnost a stejnorodost, čímž se zvýší pevnost výrobků za syrova. 

Rozplavování

Rozplavování je rozptyl pevných částic do suspenze, tedy vzájemné oddělování jednotlivých částic suroviny za nadbytku vody zpravidla mechanickými nástroji. Je to operace, která předchází plavení kaolinu, ale provádí se také při přípravě hmot, zejména licích, kde zajišťuje homogenizaci hmoty za mokra. K rozplavování dochází také při mletí surovin v bubnových mlýnech za mokra. 40


Pro rozplavování slouží různé typy rozplavovačů s periodickým nebo kontinuálním provozem. Používají se především tyto typy: planetový, vrtulový, bubnový, korytový. 

Míchání

K míchání se používá většinou vrtulový míchač, který slouží k promíchávání suspenzí v zásobních nádržích. Hřídel s vrtulí je často umístěna šikmo. V porovnání s rozplavovačem, je rychlost otáčení podstatně menší. 

Plavení

Plavení je oddělování hrubých nečistot od jemných částic suroviny ve vodní suspenzi. Plavením se upravují i jíly a hlíny, které jsou určené pro přípravu glazur. Především se ale plaví kaolin. Kaolin se těží jako surový. Je to surovina s obsahem kaolinitu 20 – 80 %, s proměnlivým množstvím příměsí, kterými jsou zbytky matečné horniny (křemen, živce, slída) a také sloučeniny železa a organické látky. Plavení je proces, jehož cílem je získat co nejčistší kaolin s vysokým obsahem kaolinitu.

5.3.

Úprava neplastických surovin

Hlavní druhy neplastických surovin se těží odstřelem v lomech. Získají se tak značně velké kusy, které musí být upraveny, aby mohly být použity ve výrobě. To znamená, že je převádíme na jemnozrnné suroviny, které se používají pro výrobu pracovních hmot. 

Drcení

Pro drcení velkých kusů surovin (například živců, pálených střepů nebo šamotu) se používají čelisťové drtiče. Tyto drtiče jsou dvouvzpěrné nebo jednovzpěrné. Velikost nadrceného zrna je nastavitelná a je dána velikostí mezery v dolní části tlamy. Kuželové drtiče se používají k drcení tvrdých a křehkých materiálů. Drtící prostor je tvořen vnitřním a vnějším kuželem. Rozlišujeme drtiče ostroúhlé nebo tupoúhlé. Kladivové drtiče se používají k drcení živců, šamotu, suchých jílů, kaolinu a střepů. Jsou to nárazové drtiče, kde ke zmenšování částic dochází úderem nebo nárazem. 

Mletí

Válcové mlýny jsou složeny ze dvou válců, které se otáčejí proti sobě. Surovina je mleta ve štěrbině mezi válci a velikost zrn produktu je dána nastavitelnou šířkou štěrbiny. Kolíkové mlýny neboli dezintegrátory slouží k mletí měkčích křehčích surovin. Mohou být jednorotorové nebo dvourotorové. Kolové mlýny se používají běžně k mletí předdrcených ostřiv i dalších surovin. Každý kolový mlýn má mlecí dráhu, po níž se pohybují dvě velká těžká kola, zvaná běhouny, která vlastní vahou melou materiál. Kulové mlýny se používají na nejjemnější mletí za mokra i za sucha. Surovina v nich se mele pomocí mlecích těles, která mají nejčastěji tvar koulí. K mletí dochází narážením mlecích těles na částice meliva a třením. Nejčastějším typem kulového mlýna bývá mlýn bubnový. 

Třídění

Třídění je dělení disperzních (částicových) soustav podle částic na zrnitostní frakce. Zrnitostní frakce je podíl s částicemi, jejichž velikost se pohybuje v určitém rozmezí. Účelem třídění je odstranění částic větších než je určitá maximální velikost a rozdělení disperzní směsi na frakce, aby bylo možné ze získaných frakcí sestavit směs určitého 41


granulometrického složení. Nejčastěji používaným třídicím zařízením jsou síta. Síta rozeznáváme rotační, vibrační nebo ruční a třídit na nich lze za sucha i za mokra. Suroviny lze třídit také bezsítně a to například proudem vzduchu nebo kapaliny. Třídí se na základě odstředivé nebo gravitační síly. Zařízením pro tento způsob třídění bývají nejčastěji cyklony. 

Oddělování

Oddělování je dělení podle skupenství (především odvodňování) nebo podle druhu materiálu (například odstraňování nečistot). Odvodňování – při přípravě hmot nebo úpravě surovin se k surovinám pro usnadnění mletí nebo třídění přidává voda, kterou je nutné následně odstranit. Způsob odvodnění závisí na obsahu vody v surovině nebo surovinové směsi a na požadované vlhkosti konečného produktu. Pro získání plastického těsta z vodné suspenze keramické suroviny se nejčastěji používá kalolis. Nejběžnějším typem kalolisu je komorový kalolis. Pro získání suchého nebo téměř suchého produktu přímo ze suspenze se používají rozprašovací sušárny. K oddělování nečistot používáme především magnetickou separaci. Ve většině hmot jsou totiž magnetické nečistoty nežádoucí, protože zhoršují kvalitu výrobků nebo je zcela znehodnocují.

Shrnutí pojmů kapitoly Po prostudování kapitoly by vám měly být jasné následující pojmy:  

technologická mapa, vydatnost ložiska plavení, oddělování

Otázky k probranému učivu 34. V čem spočívá rozplavování a v čem plavení? 35. Jaký je rozdíl mezi kolovým a kulovým mlýnem? 36. Jaká zařízení se používají při oddělování podle skupenství?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu    

SLIVKA, V. a kol. Těžba a úprava silikátových surovin. Praha: Silikátový svaz, 2002. ZÁDRAPA, K. Keramické suroviny a jejich úprava. Praha: SNTL, 1971. HERAINOVÁ, M. Keramické suroviny a jejich úprava. Praha: Silikátový svaz, 2003. HANYKÝŘ, V., KUTZENDÖRFER, J. Technologie keramiky. Praha: Vega, 2000.

42

Tvarování keramických výrobků, příprava pracovních směsí, základní zkoušky


6.

Čas ke studiu: 1 hodina Cíl




si ozřejmíte způsoby tvarování keramických výrobků za normálních a zvýšených teplot

 

budete vědět, jak se připravují pracovní směsi v hrubé a jak v jemné keramice dozvíte se, jakými postupy stanovujeme vlastnosti surovin a keramických výrobků

Výklad 6.1.

Tvarování keramických výrobků

Způsob tvarování volíme podle následujících kritérií: 

tvar a velikost výrobku



požadovaná hutnost a pevnost



požadavky na rozměrovou přesnost



množství vyráběných výrobků



charakter zpracovávaného materiálu.

Za normální teploty se používají tyto způsoby tvarování: 

lití ze suspenze – suspenze obsahuje 20 – 40 % vody, lije se do pórovitých sádrových nebo polymerních forem, pokud suspenze obsahuje jinou kapalinu než vodu (organické rozpouštědlo), lije se na hladkou nepórovitou podložku



tvarování z plastického těsta – těsto obsahuje 15 – 25 % vody nebo organický plastifikátor, dva základní způsoby:

o tažení (protlačování) – na šnekovém nebo pístovém lisu (cihly) o točení – vytáčení na sádrové formě (talíře), zatáčení do sádrových forem (šálky, izolátory) 

lisování

o z vlhkých směsí s obsahem vody 15 – 18 % nebo s organickými pojivy o z polosuchých směsí s obsahem vody 8 – 15 % nebo s organickými pojivy o ze suchých směsí s obsahem vody do 8 % (izostatické lisování). Za vyšších teplot se používají tyto způsoby tvarování:

43




vstřikování, horké lití – lití směsí s organickým pojivem, směs se ohřívá na teplotu tání pojiva, lije se do kovových forem (teplota asi do 150 °C)



žárové lisování – pístové nebo izostatické – materiál je tvarován při teplotě slinování.

Zvláštní způsoby tvarování: 

vibrování nebo vibrolisování



tvarování tlakovou vlnou (explozí).

6.2.

Příprava pracovních směsí

Způsoby tvarování i používané druhy směsí se liší podle druhu výrobku, který chceme z dané směsi vytvořit. Obecně se keramika dělí na hrubou a jemnou, proto i způsoby přípravy pracovních hmot rozdělujeme podobně. 

Příprava pracovních směsí v hrubé keramice

V hrubé keramice se jako základní typická zařízení používají k dávkování surovin podavače (skříňové nebo talířové) a k mletí kolové a válcové mlýny. Převažuje tu výroba z plastického těsta a drolenky. Plastické těsto V hrubé keramice se plastické těsto připravuje zpravidla společným mletím surovin v kolových mlýnech za mokra, případně se směs domílá ve válcových mlýnech. Konečná homogenizace a případná úprava vlhkosti se provádí například v korytovém mísíči. Plastické těsto je vhodné nechat před tvarováním odležet. Lisovací směsi (drolenka) Drolenku připravíme drcením, mletím, vlhčením a homogenizací vstupních surovin, podobně jako u plastického těsta. Podle požadované vlhkosti připravujeme drolenku pro polosuché lisování (8 – 15 % vody), nebo pro suché lisování (4 – 8 % vody). Při výrobě drolenky kromě vody přidáváme další přísady jako pojiva, plastifikátory, látky zvyšující pevnost výlisku atd. Postup může být komplikovaný ještě v tom, že některé suroviny pro výrobu žáromateriálů se před použitím kalcinují. 

Příprava směsí v jemné keramice

Při přípravě pracovních směsí v jemné keramice je základním zařízením pro mletí bubnový mlýn. Suroviny se do něj odvažují. S výjimkou speciálních hmot se v jemné keramice vytváří především litím, točením a lisováním. Licí suspenze K výrobě licí suspenze se používá buď rozplavený vratný odpad z točírny, vylévárny nebo se připravuje suspenze čerstvá. Hlavní výroba spočívá v mletí neplastických surovin v kulových mlýnech s malým přídavkem plastické suroviny a v rozplavení plastické suroviny v rozplavovači. Obě složky hmoty plastická a neplastická, se setkávají a smíchají v míchači, který slouží i jako zásobní nádrž. V míchači se upravují reologické vlastnosti licí suspenze, která je tu udržována v neustálém pohybu. Řada surovin je dodávána v mikromletém stavu, takže může odpadat mletí a suroviny se pouze rozplavují. Aby byla zaručena dostatečná jemnost suspenze a nevyskytovaly se v ní magnetické příměsi, je hmota z mlýnů do rozplavovače přepouštěna přes síta a magnetickou separaci. 44


Plastické těsto Při přípravě plastického těsta se suroviny melou v bubnových mlýnech za mokra s přídavkem ztekutiv. Ztekutiva umožňují použít menší množství vody, než by tomu bylo nutné bez ztekutiv. Lze tak objem bubnu využít pro větší množství surovin. Vzniklá suspenze se z mlýnů přepouští přes síta a magnety do rozplavovače, kam se přidávají suroviny, které nevyžadují mletí (například kaolin). Vzniklá suspenze je čerpána do kalolisu, kde dojde k jejímu odvodnění, a získané kalolisované koláče se zhomogenizují a odvzdušní ve vakuovém šnekovém lisu. Plastické těsto ve tvaru hublů se nechává odležet. Granulát Pro lisování se v jemné keramice používá většinou granulát, získaný rozprašovacím sušením. Výroba granulátu spočívá v mísení surovin mletých za mokra v rozplavovačích spolu se ztekutivy, plastifikátory a lisovacími přísadami a v následném sušení takto vzniklé suspenze v rozprašovací sušárně. Suspenze je přiváděna do sušárny, kde je rozstřikována nebo rozmetána a vzniklé kapičky jsou prudce usušeny. Vzniká kuličkový granulát.

6.3.

Odběr a úprava vzorků

Znalost surovin, jejich složení a vlastnosti jsou důležité pro dodržování technologického postupu, a tím tedy i pro vlastnosti konečného výrobku. Zkoušením, posuzováním a kontrolou surovin se v závodě zabývá technická kontrola. Technická kontrola se dělí na vstupní a výstupní. Zkoušení, posuzování a kontrolu surovin provádí kontrola vstupní. Nejdůležitějším základním úkonem je správné odebírání vzorku. Jen správně odebraný vzorek zaručí směrodatné hodnoty pro správné a zdárné použití suroviny k výrobě. Keramické suroviny jsou svým složením značně nestejnorodé, a tudíž vyžadují bezpodmínečně správné odebrání vzorku, který musí odpovídat celkovému složení suroviny. Například při dodávce ve vagónech se odebírá surovina z několika míst vagónu, v celkovém množství 10 až 15 kg, které se rozprostře v místnosti na papír v tenké vrstvě a nechá se při normální teplotě proschnout. 

Úprava vzorku   

proschlá surovina se promísí a vytvoří se z ní hromádka kruhové základny rozdělením hromádky dvěma navzájem kolmými čarami se vytvoří čtyři kruhové výseče dvě protilehlé výseče se odstraní a zbylé množství vzorku se promíchá a celý postup se opakuje

Tento postup se nazývá kvartování a opakujeme ho tak dlouho, až zbude pouze množství potřebné ke zkouškám. Tím se získá rovnoměrný vzorek.

6.4.    

Základní zkoušky fyzikální vypalovací fyzikálně chemické chemické

45

Tvarování keramických výrobků, příprava pracovních směsí, základní zkoušky 

Zkoušky fyzikální   



Zkoušky vypalovací      



(stanovení smrštění sušením) stanovení smrštění výpalem stanovení ztráty žíháním posouzení celkového vzhledu, barvy a zvuku výrobku stanovení žárovzdornosti stanovení únosnosti v žáru

Zkoušky fyzikálně chemické 



stanovení zrnitosti – sítový rozbor, sedimentační rozbor stanovení plastičnosti stanovení pórovitosti

diferenční termická analýza

Zkoušky chemické 

chemický rozbor křemičitanů


lití, točení, lisování



plastické těsto, licí suspenze, drolenka, granulát



kvartování



jednotlivé druhy zkoušek

Otázky k probranému učivu 37. Jaké způsoby točení využíváme při výrobě keramiky? 38. Jaké vlhkosti jsou typické pro licí suspenzi, plastické těsto, drolenku nebo granulát? 39. V čem se liší drolenka a granulát? 40. Co je kvartování? 41. Co je možné stanovit pomocí vypalovacích zkoušek?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu   

HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. Praha: SNTL, 1988. ŠAŠEK, L. a kol. Laboratorní metody v oboru silikátů. Praha: SNTL, 1981. HANYKÝŘ, V., KUTZENDÖRFER, J. Technologie keramiky. Praha: Vega, 2000.

46

Suroviny pro výrobu glazur, smaltů a keramických povlaků


7.

Čas ke studiu: 1 hodina Cíl   


budete vědět, co glazura, smalt nebo keramický povlak a z čeho se připravují ozřejmíte si význam pojmů frita, kalivo, odstínivo seznámíte se základními druhy glazur, smaltů a keramických povlaků

Výklad 7.1.

Glazura

Glazura je skelný povlak na povrchu keramického výrobku, který má pro výrobek estetický i technický význam. Z hlediska estetického glazura zlepšuje celkový vzhled výrobku a může zakrývat drobnější vady na povrchu výrobku. Z technického hlediska glazura zajišťuje nepropustnost výrobku pro kapaliny a plyny – uzavírá otevřené póry, zvyšuje jeho pevnost a chemickou odolnost. Ve srovnání se skly má často odlišné vlastnosti. Je nehomogenní, často obsahuje také krystalické fáze.

7.2.

Rozdělení glazur

Podle teploty tání:  

nízkotavné (880 – 1200 °C) vysokotavné (nad 1200 °C)

Podle vzhledu: 

transparentní, krycí, barevné, krystalické, lesklé, matné, trhlinkované a další

Podle charakteristické složky: 

olovnaté, bezolovnaté, borité, zirkonové a další

Podle účelu:  

umělecké užitkové

Podle druhu výrobku: 

pórovinové, kamnářské, pro kameninu, porcelán a další

Podle způsobu přípravy:  

surové – jsou sestaveny ze surovin nerozpustných ve vodě a připravují se mletím a mísením směsi surovin s vodou na suspenzi fritové – část surovin se frituje (suroviny rozpustné, toxické), frita se mele společně se surovinami, které se nefritovaly 47


K vyjádření složení glazur se obvykle používá Segerův vzorec, ve kterém se složky udávají v molárním poměru, vztaženém k jednomu molu jednomocných a dvojmocných oxidů. Z hlediska Segerova vzorce lze glazurové suroviny rozdělit takto:   

zdroje zásaditých oxidů (Na2O, K2O, Li2O, CaO, MgO, BaO, SrO, PbO, ZnO) zdroje amfoterních oxidů (především Al2O3) zdroje kyselých oxidů (SiO2, B2O3).

4.1. Suroviny pro výrobu glazur K přípravě glazur se používají většinou suroviny přírodní, ale také uměle připravené. Základním požadavkem je vždy maximální čistota. Lze je rozdělit na suroviny základní, které jsou pro tvorbu glazury nezbytné (křemen, kaolin, živce a ostatní taviva), a suroviny vedlejší, které se používají pouze v menší míře (kaliva, odstíniva). Křemen Křemen je základní surovina pro výrobu glazur. Vnáší oxid křemičitý, který je sklotvorným oxidem. S jeho obsahem roste teplota tavení, ale klesá sklon k trhlinkování. V glazuře bývá SiO2 50 – 70 %. Jako zdroj se používají především sklářské písky. Kaolin Kaolinem se do glazur vnáší Al2O3 a SiO2. Používá se kaolin nekalcinovaný i kalcinovaný. Nekalcinovaný kaolin tvoří plastickou složku za syrova, stabilizuje glazurový kal, zvyšuje pevnost za syrova, ale ve velkém množství může díky velkému smrštění způsobit odlupování glazury za syrova. Proto se přidává kaolin kalcinovaný nebo pálené střepy. Al 2O3 zvyšuje pružnost, lesk, pevnost, snižuje teplotní roztažnost a vyluhovatelnost olova z glazury. Nejčastěji se jako zdroj používají karlovarské kaoliny. Živce Živce se do glazur používají jako taviva a kromě vysoké čistoty se u nich požaduje konstantní složení. Nejrozšířenější živce jsou ortoklas a albit. Živce vnášejí do glazur jak alkalické oxidy, tak Al2O3 a SiO2. Alkalické oxidy zvyšují teplotní roztažnost glazury. Většinou se používají živcové suroviny s obsahem ortoklasu i albitu a na jejich poměru závisí kolísání vlastností glazury. CaO CaO působí jako tavivo v glazurách nad 1000 °C a u nízkotavných glazur je žádoucí v alkalických glazurách, kde zabraňuje trhlinkování. CaO snižuje teplotní roztažnost, zvyšuje lesk, mechanickou pevnost, pružnost, chemickou odolnost glazur. Zdrojem CaO je nejčastěji vápenec CaCO3, společně s MgO se dodává dolomitem. MgO MgO snižuje teplotní roztažnost a jako jeho zdroj se používá magnezit MgCO3 nebo dolomit CaCO3.MgCO3, který zároveň vnáší CaO. Dolomit dodává glazuře vysoký lesk. Další surovinou je mastek 3MgO.4SiO2.H2O. ZnO ZnO působí jako tavivo a kalivo i jako krystalizační prostředek. Odstiňuje a rozptyluje barvy, zvyšuje lesk, ve větším množství zakaluje a může způsobit i krystalizaci. Surovinou je zinková běloba. 48


B2O3 B2O3 je stejně jako SiO2 sklotvorný. Snižuje teplotu tavení, dává glazury čiré, lesklé, odolné proti trhlinkování, zvyšuje pružnost, zlepšuje chemickou odolnost, usnadňuje rozpouštění barev. Je důležitou složkou fritových glazur. Při větším obsahu vlastnosti zhoršuje. Suroviny, kterými je dodáván, jsou kyselina boritá, borax. PbO Nejstarším a nejpoužívanějším tavivem pro nízkotavné glazury jsou sloučeniny olova. Vnesením PbO jsou glazury snadno tavitelné, roztékavé a dobře probarvují. Všechny sloučeniny olova jsou ale toxické. Nesmí se používat do glazur pro užitkovou keramiku, protože může docházet k vyluhování olova. Na2O Do glazur s nižší teplotou tání není možné vnášet Na2O ve větším množství živcem, proto se používají jiné sloučeniny: nefelinický syenit – dává snadno tavitelné, průhledné, dobře roztékavé glazury s velkým sklonem k trhlinkování, dobře se probarvují; soda, sůl kamenná – solné glazury. Sodu je nutné vzhledem k její rozpustnosti spolu s dalšími surovinami fritovat. K2O Podobně jako se vnáší Na2O do nízkotavných glazur jinak než živcem, tak i K2O lze dodávat kromě živcem také dalšími surovinami jako je potaš, ledek draselný. BaO BaO je dalším tavivem. Zvyšuje lesk, tvrdost, odolnost proti povětrnostním vlivům. Surovinou pro vnášení je witherit BaCO3. BaCO3 je při požití zdraví škodlivý. Li2O Li2O je intenzivnější tavivo než ostatní alkalické oxidy. Zvyšuje lesk. Suroviny, které ho vnáší jsou: spodumen, lepidolit a cinvaldit. Frity Frity jsou granulovaná skla, která tvoří jednu ze složek glazury a působí jako tavivo. Vyrábějí se z některých výše uvedených surovin, které jsou rozpustné ve vodě nebo jsou toxické, aby bylo možné je použít do glazur. Kaliva Kaliva se používají pro přípravu polokrycích a krycích glazur a patří sem: SnO2 – nejstarší kalivo, TiO2 – anatas nebo rutil (obchodně titanová běloba), ZrO2 – minerál baddeleyit, ZrSiO4 – minerál zirkon. Odstíniva Jako odstíniva se označují látky, které sice samy nebarví, ale mohou ovlivnit barevný odstín nebo intenzitu zabarvení glazury. Má-li glazura plnit svou technickou a estetickou funkci, je třeba kontrolovat její vlastnosti, které vypočítáme nebo vhodnými metodami změříme. Mezi tyto vlastnosti patří chemická odolnost, odskelnění a krystalizace, pevnost, pružnost, tvrdost, povrchové napětí, viskozita, tavitelnost a další. Jedním z nejdůležitějších parametrů, který je rozhodující pro výběr glazury na určitý střep, je koeficient délkové teplotní roztažnosti (KTR, ). Při 49


nesouladu mezi koeficientem teplotní roztažnosti střepu stř a glazury gl vznikají při chlazení výrobku vady glazury. Při nerovnosti obou koeficientů může dojít k trhlinkování nebo odprýskávání glazury. Záleží na tom, zda se při výpalu ve fázi chlazení glazura smršťuje více než střep nebo naopak.

7.4.

Suroviny pro výrobu smaltů

Smalty jsou podobně jako glazury tenké povlaky na podkladovém materiálu, které chrání tento materiál před vlivy okolního prostředí i za zvýšených teplot a často zlepšují mechanické vlastnosti a estetický vzhled kovu. Nejčastěji se používají povlaky na bázi silikátů. Pojem smalt se užívá pro povlaky na kovovém podkladě (ocel, litina, hliník apod.). Smalt se obvykle na povrch materiálu nanáší dvojí. První je tzv. základní smalt, který zprostředkuje adhezi a na něj přijde smalt krycí, který má požadované ochranné a estetické vlastnosti. Obecně se pro smalty používají podobné suroviny jako ve sklářství, ale s nižšími nároky na čistotu. Základní smalt tvoří adhezní oxidy CoO nebo NiO, které se fritují. Bílé krycí smalty mají základ ve fluoridech, fosforečnanech, ZrO2 a TiO2, které jsou také součástí frity. Barvicí látky se přidávají buď přímo do směsi surovin k tavení frity, nebo až s dalšími složkami při mletí frity. Prvním způsobem se připravují transparentní smalty, druhým způsobem, který je obvyklejší, se připravují smalty s barevným základem. Barvicí látky: Fe2O3 – hnědočervená, Cr2O3 – zelená, spinel CoO.Al2O3 – modrá, CdS – žlutá, CdS+CdSe – červená. Při mokrém způsobu se do mletí přidávají ještě: 

křemen, živec, MgO – k úpravě vypalovacího intervalu



barvicí a kalicí látky



NaNO2 – k zamezení rezivění kovu pod vlhkým nánosem



jílové zeminy a elektrolyty – ovlivňují reologické vlastnosti suspenze, elektrolyty: KCl, K2CO3 NaNO3 borax atd., nositel reologických vlastností, který zajišťuje stabilitu suspenze je jílová složka.

7.5.

Suroviny pro výrobu keramických povlaků

Oxidové povlaky stříkané žárově se uplatnily nejdříve u kovových lopatek a spalovacích komor leteckých turbín, u trysek raketových motorů, kde se kromě ochrany proti oxidaci využívají také ke zvýšení otěruvzdornosti. Později se využití povlaků stříkaných žárově začalo využívat i v dalších oblastech jako je sklářský průmysl, povlaky na pomůckách pro odlévání oceli – zátkové tyče, šoupátkové uzávěry, dále se uplatňují i jako obaly palivových článků jaderných reaktorů a další. Nejvíce rozšířené jsou nástřiky z Al2O3. Korundové povlaky se vyznačují vysokou odolností proti otěru i za vysokých teplot, elektrickou izolačností a odolností vůči korozi. Vlastnosti korundových povlaků lze ještě vylepšit, například přídavkem TiO2 se zlepšuje hutnost, odolnost proti změnám teploty i proti korozi. Cr2O3 působí podobně, zvyšuje hutnost a otěruvzdornost. U ZrO2 se dosahuje spolehlivé ochrany podkladového kovu proti oxidaci. Další využívané jsou nástřiky zirkonové, spinelové, chrommagnezitové a jiné. 50


Karbidy se obvykle nanášejí v kombinaci s kovem, například WC+Co. Široké uplatnění má i Si3N4, který má vynikající odolnost proti změnám teploty. MoSi2 se používá jako ochranný povlak snadno oxidovatelných kovů.


glazura, smalt, keramický povlak



surová glazura a frita



základní a krycí smalt



korundové a karbidové keramické povlaky

Otázky k probranému učivu 42. Jaký je rozdíl mezi glazurou, smaltem a keramickým povlakem? 43. Co všechno řadíme při výrobě glazur mezi suroviny základní? 44. V čem spočívá příprava fritové glazury a jaký je obvykle důvod její přípravy? 45. Co vyjadřuje Segerův vzorec a k čemu nám slouží? 46. Jakou funkci má smalt základní a jakou smalt krycí?


HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. Praha: SNTL, 1988. HERAINOVÁ, M. Glazury, keramické barvy a dekorační techniky. Praha: Silikátový svaz, 2003.

51

Suroviny pro výrobu skla a sklokeramiky


8.



 

poznáte, v čem se liší sklo a sklokeramika budete vědět, z jakých surovin se vyrábí sklo, jaký je rozdíl mezi sklářským kmenem a vsázkou do sklářské pece



seznámíte se základními sklokeramickými systémy

Výklad 8.1.

Sklo

Sklo je amorfní pevná látka, která vzniká obvykle utuhnutím taveniny bez krystalizace. Na rozdíl od krystalů postrádá struktura skla pravidelné uspořádání na delší vzdálenosti, odpovídající několikanásobku rozměrů elementárních stavebních jednotek.

8.2.

Suroviny pro výrobu skla

K tavení skla se používají suroviny přírodní i syntetické. Podle použití při výrobě skla je lze rozdělit na hlavní (sklotvorné) a vedlejší. 

Sklotvorné suroviny základní Základními surovinami pro výrobu skla jsou písek, soda nebo potaš a vápenec.

SiO2 Zdrojem SiO2 je přírodní křemenný písek (-křemen), který musí mít vysokou čistotu a přesně danou zrnitost. Používají se sklářské písky (Střeleč, Adršpach). Nežádoucí jsou jemné jílové podíly, které se odstraňují praním. Písek také nesmí obsahovat větší množství barvicích složek, hlavně oxidy Fe, Cr2O3 a TiO2. Písek představuje hlavní sklářskou surovinu a běžná skla obsahují 60 – 80 % SiO2. Na2O Zdrojem Na2O je uhličitan sodný neboli soda, který má být poměrně hrubozrnný, aby při mísení a dávkování vsázky nevznikaly ztráty prášením. Část alkálií lze také do skla zavést živcem, znělcem nebo nefelinsyenitem. Současně se však vnáší i Al2O3 a oxidy Fe. Soda i potaš slouží jako taviva. K2O K2O se vnáší do vsázky jako kalcinovaný uhličitan draselný K2CO3 (potaš) nebo jeho hydrát. Kalcinovaný i hydratovaný K2CO3 jsou hygroskopické, což způsobuje problémy při mísení vsázky, kdy se tvoří hrudky. CaO a MgO

52


Zdrojem CaO a MgO jsou přírodní vápenec a dolomit, také s nízkým obsahem oxidů Fe. CaO i MgO slouží jako stabilizátory, zvyšují chemickou odolnost skel. Tyto suroviny se podílejí na zlepšení tavitelnosti skla a způsobují, že výsledná sklovina se dá lépe tvarovat. 

Sklotvorné suroviny ostatní

Mezi ostatní sklotvorné suroviny lze řadit suroviny, které se používají pro některé zvláštní druhy skel nebo které slouží jako náhrada surovin základních. PbO Základní surovinou pro vnášení PbO do skla je Pb3O4 (suřík, minium) nebo čistý syntetický oxid olovnatý zvaný klejt. Olovnaté sklo je ve světě známé jako český křišťál (obsah olova 24 %). Olovnatá skla jsou snadno tavitelná, jsou těžší, měkčí, mají vysoký třpyt a jiskru, vysoký index lomu, což je výhodné pro broušení. B2O3 Hlavními boritými surovinami jsou borax a kyselina boritá H3BO3. Oxid boritý působí jako tavivo a zvyšuje odolnost skla proti mechanickému poškození i proti chemikáliím. Zlepšuje také barvení skla. BaO BaO se zavádí do skla jako BaCO3 nebo BaSO4. Oxid barnatý má podobné vlastnosti jako sloučeniny olova a vápníku, při tavbě je může do určité míry nahrazovat. Barnaté sklo je pružné a při úderu dobře zní. Je vhodné pro výrobu kalíškoviny a dalších typů foukaného skla, používá se také na výrobu obrazovek a speciálních optických vláken. Al2O3 Malé množství Al2O3 se do vsázky dostává jako doprovodná složka písku a vápence. Pokud je požadován vyšší obsah Al2O3, používá se hydroxid hlinitý, nefelinový syenit, živec, kaolin, znělec a další. Kromě jiných oxidů také Al2O3 podporuje tavbu oxidu křemičitého. Živec a znělec Živec a znělec měly v minulosti nahrazovat potaš či drahou sodu, ale v současnosti se používají jen v omezeném množství. Výše uvedené suroviny tvoří tzv. sklářský kmen a patří k nim ještě některé vedlejší suroviny, kterými jsou čeřiva, kaliva, barvicí, odbarvovací oxidy, odstíniva, urychlovače, oxidační a redukční činidla, vysokopecní struska a další. Vsázka do sklářské pece je pak tvořena sklářským kmenem a drcenými střepy. 

Vedlejší suroviny

Za vedlejší suroviny se považují různé látky se specifickými účinky, které se přidávají obvykle jen v malém množství. Například fosforečnany a fluoridy (kazivec CaF2) způsobují zákal. Dále se může jednat o různá čeřiva (ledek sodný NaNO3 a draselný KNO3), barviva (například na bázi Co, Ni, Fe, Mn, Cr, Ag, Au, Cu, a další), látky odbarvující, oxidační a redukční činidla atd. Určitý podíl vsázky tvoří i drcené střepy. Dosahuje se tím úspory v surovinách, zužitkování odpadu a také zrychlení tavicího procesu, pokud střepů ve vsázce není více než 30 – 40 %. Při větším množství se obvykle prodlužuje doba čeření. Ve snaze o likvidaci

53


odpadních vysokopecních strusek lze zaznamenat její využití pro tavení například obalového skla.

8.3.

Sklokeramika

Sklokeramika je polykrystalický materiál vyrobený řízenou krystalizací skla. Krystalizace probíhá v celém objemu skla podle přísně regulovaného režimu za účasti látek urychlujících nukleaci. Získá se tak produkt se stejnoměrnou a jemnozrnnou strukturou, obsahující pouze malé množství zbytkové skelné fáze. Sklokeramika je vyráběna sklářskou technologií, ze sklářských surovin.

8.4.

Základní typy sklokeramických systémů

Soustava Li2O.SiO2.Al2O3 Tento systém je nejrozšířenějším typem vyráběné sklokeramiky. Jako nukleátor se používají kovy Au, Ag, Cu, Pt nebo TiO2. Hlavní složkou je SiO2, dále Al2O3 a Li2O. tepelným zpracováním se vytvářejí nové fáze, které zajišťují, že materiál je s teplotou rozměrově stálý a odolný proti teplotním šokům. Soustava MgO.Al2O3.5SiO2 Další krystalickou látkou, která má nízkou teplotní roztažnost, je cordierit 2MgO.2Al2O3.SiO2. Je základem cordieritové sklokeramiky, která neobsahuje alkalické oxidy. Hlavní složky jsou SiO2, Al2O3 a MgO. Jako nukleátor se používá TiO2. Po vykrystalizování jsou to materiály odolné proti teplotním šokům, s vysokou pevností vysokým elektrickým odporem a nízkými dielektrickými ztrátami. Většina typů sklokeramiky představuje poměrně drahé materiály, protože jsou vyrobeny z drahých surovin (Li2O, TiO2, B2O3). Pro použití ve stavebnictví a v průmyslu lze ale připravit sklokeramiku z méně náročných surovin, například na bázi hornin (čedič, znělec, s nukleátorem CaF2), nebo průmyslových odpadů, především vysokopecních strusek. V případě strusek se taví struska s přísadou písku, hlíny, malého množství Na2SO4, uhlíku a s nukleátory například MnS+FeS, Cr2O3+MgO a další. Desky z tohoto bezporézního materiálu se používají jako obklady ve stavebnictví.


sklo, sklokeramika



sklotvorné suroviny, sklářský kmen



řízená krystalizace

Otázky k probranému učivu 47. Jaký je rozdíl mezi sklem a sklokeramikou? 48. Co všechno obsahuje sklářský kmen? 49. Jakým způsobem získáme ze skloviny sklokeramiku?

54


Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu 

 



HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. Praha: SNTL, 1988. VONDRUŠKA, V. Sklářství. Praha: Grada Publishing a.s., 2002. KONTA, J. Keramické a sklářské suroviny. Praha: Univerzita Karlova, 1982. Kolektiv autorů. Sklářské suroviny. Ústí nad Labem: Dům techniky ČSVTS, 1989.

55

Suroviny pro výrobu anorganických pojiv


9.





budete vědět, jaké druhy anorganických pojiv existují a v čem se jednotlivé druhy liší po technologické stránce

 

ozřejmíte si, z čeho se připravují cement, sádra, vápno, vodní sklo apod. seznámíte se s chováním vstupních surovin za vysokých teplot

Výklad 9.1.

Rozdělení anorganických pojiv

Z praktického hlediska dělíme anorganická pojiva na: 

stavební pojiva, zvaná maltoviny, protože jsou hlavní funkční součástí malt (cement, vápno)



technická pojiva (například fosfátová, tzv. vodní sklo a jiné)

Maltoviny pak podle použití dělíme na: 

hydraulické maltoviny – po počátečním zatuhnutí na vzduchu dále tuhnou a tvrdnou na vzduchu i pod vodou, přitom vznikají produkty ve vodě prakticky nerozpustné, takže tato pojiva trvale odolávají působení vody - cement



vzdušné maltoviny – tuhnou vlivem různých chemických procesů (včetně hydratace), produkty jsou však částečně rozpustné ve vodě, takže tyto maltoviny lze trvale použít pouze na vzduchu – sádra, vápno.

9.2.

Sádrová pojiva

K výrobě sádrových pojiv se používají jednak suroviny přírodní a jednak odpady z chemického průmyslu. Základní surovinou pro výrobu sádrových pojiv je sádrovec CaSO4.2H2O neboli dihydrát síranu vápenatého. V bezvodé formě jako CaSO4 se nazývá anhydrit. V přírodě se vyskytují poměrně čistá ložiska dihydrátu a anhydritu, která vznikla postupným vylučováním solí z mořské vody podle jejich rozpustnosti. Dále je možné dihydrát získat jako odpad při čištění vod obsahujících sírany. Dihydrát bývá také přímým odpadem z některých chemických výrob. Sádrová pojiva se uplatňují v různých oborech. Rychle tuhnoucí sádra se používá na keramické formy, pro modelářské a štukatérské práce. Dále to mohou být ve stavebnictví například stavební dílce na vnitřní příčky. Pomalu tuhnoucí sádra se používá hlavně na podlahy a podkladové vrstvy. Anhydritová maltovina slouží pro malty na zdění a omítání apod.

56


9.3.

Hořečnatá maltovina

Hořečnatá maltovina, zvaná podle svého objevitele Sorelův cement je směsí kaustického magnezitu (tedy reaktivního MgO získaného kalcinací magnezitu na 700 až 900 °C) a vodného roztoku MgCl2. Jako plnivo se do směsi přidává dřevěná vlna, dřevěné piliny, nebo třeba křemičitý písek a mastek. Hořečnatá maltovina dřevovláknitých desek apod.

9.4.

se

používá

zejména

k výrobě

xylolitových

podlah,

Cement

Cement je hydraulické práškové pojivo. Základními surovinami pro výrobu jeho slínku jsou vápence, hlíny nebo jíly, nejčastěji kaolinitické, které vnášejí do směsi SiO2 a Al2O3. Nejvýhodnější surovinou je vápenec, který je těmito složkami prostoupen. Pokud však nejsou v surovině složky v žádaném poměru, přidává se podle potřeby jemný křemen nebo bauxit nebo suroviny obsahující oxidy železa (kyzové výpalky, Fe rudy). Jako nežádoucí lze označit obsah MgO vyšší než 6 %, neboť tato složka je příčinou rozpínání po ztuhnutí cementu, a tím snížení pevnosti. Dále škodí přítomnost P2O5, PbO, ZnO, při větším množství i alkalické oxidy a sírany. Portlandský cement K přípravě portlandského cementu se používá slínek, sádrovec zpomalující tuhnutí, povrchově aktivní látky. Přechodem k této maltovině (portlandskému cementu) jsou směsné struskoportlandské nebo vysokopecní cementy. Struskoportlandský cement Struskoportlandský cement je vyroben z portlandského cementu s příměsí až 40 % strusky. Vysokopecní cement Ve vysokopecním cementu je převládající složkou vysokopecní struska (40 – 80 %), minoritní složkou je portlandský cement. Portlandský cement se používá hlavně k výrobě betonu, což je materiál skládající se z velkých částic plniva jemné pojivové hmoty – cementu. Hlinitanový cement Výchozími surovinami pro výrobu hlinitanového cementu jsou vápenec (nebo vápno) a bauxit. Suroviny mají obsahovat málo SiO2. Hlinitanový cement se používá pro vysoce speciální účely, zejména k výrobě žárobetonů, je vhodný také pro havarijní opravy betonových konstrukcí, na nádrže na síranové a minerální vody.

9.5.

Vápno Všeobecně se rozlišují dva hlavní druhy vápna pro stavební účely:

Vzdušné vápno – má vysoký obsah CaO a malý obsah MgO (pokud je obsah MgO nad 7 %, jde o dolomitické vápno); tuhne a je stálé pouze na vzduchu.

57


Hydraulické vápno – vzniká z méně čistých vápenců s obsahem nad 10 % hydraulických složek (SiO2, Al2O3 a Fe2O3); tuhne i pod vodou za tvorby nerozpustných produktů. Hlavní surovinou je přírodní vápenec. Nejčastějšími doprovodnými oxidy jsou SiO2, Al2O3 a Fe2O3. Hlavním minerálem je kalcit, jehož obsah ve vápenci nemá být menší než 75 %.

9.6.

Fosfátová pojiva

Fosfátová pojiva jsou směsi některých oxidů s kyselinou fosforečnou H3PO4, které vytvářejí pojiva tuhnoucí za nízkých teplot. Typy oxidů: Kyselé oxidy – s H3PO4 nereagují Zásadité oxidy – reagují tak silně, že vzniká pórovitá a křehká struktura Slabě zásadité a amfoterní oxidy – jako pojivo působí ty z nich, které tvoří hydrogenfosforečnany, neboť jsou účinnou složkou při tuhnutí a tvrdnutí. Fosfátová pojiva se používají pro výrobu žárovzdorných materiálů, krom toho se používají jako základ zubních cementů.

9.7.

Vodní sklo

Vodní sklo je koloidní roztok alkalických křemičitanů, vznikající rozpuštěním alkalickokřemičitého skla, nejčastěji sodného, ve vodě. Jedním z možných postupů přípravy je pomocí sklářské technologie. Sodnokřemičité sklo se taví z písku a sody asi při 1400 °C. takto vyrobené sodnokřemičité sklo s přesně definovaným složením, je rozpustné ve vodě. Rozpouštění je však pomalé, proto se mu pomáhá rozdrcením skla a rozpouštěním v autoklávu. Vodní sklo lze využít jako lepidla pro papír, dřevo apod., chemicky tvrzené směsi pro slévárenské formy, tmely pro zvýšené teploty, ochranné a zpevňující nátěry pórovitých stavebních hmot atd.


stavební a technické pojivo



vzdušná a hydraulická maltovina



slínek

Otázky k probranému učivu 50. Jaký je rozdíl mezi stavebním a technickým pojivem? 51. Jaký je princip působení vzdušné a hydraulické maltoviny? 52. Co je slínek a jakých pojiv se týká jeho příprava? 53. Pro jaká pojiva je typická tvorba organické, chemické, hydraulické, resp. keramické vazby?

58



HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. Praha: SNTL, 1988. ŠAUMAN, Z. Maltoviny I. Brno: VUT, 1993.



ŠKVÁRA, F. Technologie anorganických pojiv I, II. Praha: VŠCHT, 1995.

59

10.

1

SUROVINY PRO VÝROBU KERAMIKY (studijní opory)

Recommend Documents