12. 9. 2008.

ПРВА ГОДИНА

...у пуном саставу

мали цртежи



      Ангелинина зимска идила
 

9. 9. 2008.

Технологија керамике, белешке


Карамика је мултидисциплинарна наука у коју спадају сви неоргански, неметални материјали. Једна од најстаријих људских делатности. У Вавилону и Асирији су се појавили први комади цигли и керамичке плочице које су биле глазиране, углавном тиркизне, плаве и зелене – на бази бакра CuO. Египат – први точак; Јудеја – ћупови, лампе уљарице; Грчка – енгобе
Керамика представља једну широку област са обиљем различитих техничких и уметничких материјала.
Фелдспати
Алкални или земноалкални алумосиликати који чине главне топитеље у класичној керамичкој индустрији. У природи се срећу у огромним количинама чинећи масиве, при чему су најчешће измешани (ретко се срећу чисти фелдспати). Граде изоморфне смеше, које чине комбинацију два фелдспата, нпр. Албит (натријски фелдспат) и анортид (калцијски фелдспат).
Деле се на две групе:
1. ортокласе, алкални фелдспати
2. плагиокласе, већином земноалкални
У ортокласе спадају
Ортоклас , санидин, микроклин (сва три имају исту формулу,али различит степен кристализације) К2О  Al2O3  6SiO2
Албит  Na2O  Al2O3  6SiO2  главни плагиоклас
Андортид  CaO Al2O3  2SiO2  калцијски је,са нижим садржајем Si, што условљава нижу вискозност растопа, овај фелдспат лакше тече, лако се слива и у већој количини ва високој температури, може да изазове лепљење предмета за подлогу и друге врсте дефеката.
Фелдспати су врло цепљиви, сви имају тврдоћу око 5. Различитих су боја, од светле, крем, беж, до мрке. Основна одлика- на температурама изнад  1150 степени прелазе у растоп. Калијски фелдспат, ортоклас има вишу темпетатуру топљења око 1200- даје растоп веће вискозности и растоп је делимично замућен, јер се овај фелдспат топи инкогруентно(прелази у растоп и нову кристалну фазу која се зове леуцит)
Албит се топи на нижој температури од ортокласа и конгруентно (комплетно прелази у растоп)и даје растоп ниже вискозности.
Фелдспати су изванредни и главни топитељи у керамичкој маси.  Важна улога фелдспата је у добијању високо температурних глазура где је незаменљив топитељ. Велику примену налази у добијању емајла, стакла,енгоба,фрита.
Поред фелдспата у групу алкалних и земноалкалних алумосиликата спадају и фелдспатоиди и често се називају заменици фелдспата.
Леуцит  К2O   Al2O3   4SiO2
Нефелин  Na2O  Al2O3  3SiO2
У природи се срећу измешани чинећи групу нефелин сијенита који се користи као топитељ. Могу да садрже повећан садржај гвожђа, па не могу да се користе за беле глазуре, али могу за бојене. У ову групу спадају и
 -лискуни (по хем.саставу алкални и земноалкални алумосиликати). Слојевити силикати који чине велику групу минерала различитог хемиског састава али сличних особина. Најпознатији су мусковит- врло стабилан и тешко се разлаже под утицајем атмосфералија (киса,снег). Чести су пратиоци глине, фелдспата и пескова. Црни лискун или биотит има велики садржај гвожђа и лако се распада.
-илити су овде сврстани због сличне структуре, као и слојевити лискуни, од којих се разликују по већем садржају калцијума и нижем садржају воде од лискуна. Због огромне дисперзности честица и пластичности, илите ипак сматрамо глиненим минералима.
 
Карбонати
Сировине које предстаљају соли угљене киселине и неког метала. Распрострањене у природи, јављају се у облику огромних планинских масива. У традиционалној керамици налазе широку примену и то највише у прављењу ватросталних материјала- магнезитних, доломитних опека а и у прављењу традиционалне керамике и то као сировина за производњу глазура, стакла, емајла и различитих типова керамичких маса (где се могу користити као топитељи-када се унесу у малим количинама, или као опошћивачи- када се ради о нижим температурама). Посебно се користе када се праве масе нижег квалитета- фајансне, каменина, често се налазе у масама за мајолику и опекарство јер глине као примесу често садрже калцијум карбонат. У керамици од карбоната највећу примену имају
1.      минерал калцит CaCO3  калцијум карбонат
2.      минерал магнезит MgCO3  магнезијум карбонат
3.      доломит CaCO3MgCO3 двојни карбонат
CaCO3 и MgCO3 су минерали међусобно слични, чак и по неким својим особинама јер Ca и Mg припадају истој групи периодног система, земноалкалним елементима.
CaCO3
Стена беле боје (може бити крем,сиво, розе- у зависности од примеса),релативно мекан материјал- по Мосу 3 а густине око 2,7грама/цм2 (релативно велика густина)
CaCO3  се јавља у облику калцита и арагонита. Две модификације, идентичан хемиски састав, али различито кристалишу. Калцита има доста у природи а арагонит је редак. По хемиском саставу CaCO3 материјал је неотпоран на киселине и у контакту се лако разлаже. За керамику је важно да кречњачка компонента  у маси мора бити изванредно самлевена, у противном, већа честица калцита, након печења прелази у калцијум оксид, лако упија воду и прелази у калцијум хидроксид Ca(OH)2 шити се и долази до пукотина са ситном белим језгрима. У колико је кречњак одлично самлевен до тог ефекта не долази веч тај прах са Ca(OH)2 прелази заједно са Si у калцијум силикат који је саставни део сваке масе која саджи кречњак. У току топлотног третмана кречњак се разлаже. CaCO3 се на температури од 100о разлаже и прелази у угљен диоксид и у виду гаса одлази у атмосферу и у CaO. Процес разлагања почиње на 700о а некада чак и на 1000о па је важан бисквит. Важно је да бисквит који у себи садржи калцит треба водити до завржетка реакције, до потпуног одласка гасне фазе, јер у противном, код ниско топивих маса може доћи до проблема- дефеката уколико глазура почне да стапа а гасна фаза није потпуно изашла из система.
MgCO3
Слична сировина, али је ватросталнији од калцита и његова температура топљења је изузетно висока. Магнезијум оксид се топи на 2700о, по боји сличан калциту, изразито бео, у природи се јављају различита друга обојења. За разлику од калцита, разлаже се на око 600о, знатно пре. Прелази у оксид и као гасна фаза одлази из керамичког производа. Присуство магнезита по потању бисквита не представља проблем. Густина 2,7-2,8 г/цм3, тврдоћа 3,5 по Мосу, лако се меље. Врло компактна стена, нема цепљивости. Примену налази у производњи магнезитних опека, разлаже се у киселинама.
CaCO3  Mg CO3
Има сличну примену у керамици. Посебно је познат по примени за добијање високотемпературних доломитских глазура. 3-4 по Мосу, сличне густине као CaCO3 и MgCO3. Може бити потпуно бео, али је често у боји. Приликом топлотног третмана долази до разлагања, па даљим повећавањем температуре долази до новог разлагања.
Сви ови карбонати се лако мељу због мале тврдоће и микронизирају до врло финих прахова, па се због тога често умешавају у масе и глазуре, не морају се посебно млети. Примена: код белих глина важна је чистоћа ових материјала. То проверавамо тако (нпр.боракс) што их помешама са неким јаком топитељем и испечемо, па ако је растоп светао, бео, може се користити и у светлим глазурама.
Од карбоната значај има баријум карбонат
BaCO3
Углавном се користи као синтетичка сировина. Врло је отрован, треба пазити као и са оловом. Примену налази у производњи глазура. У малим количинама функција топитеља, у већим даје лепе мат баријумове глазуре (преко 20%). Разлаже се на високим температурама (око1100о), прелази у оксид и CO2. BaCO3 су чести пратиоци седиментних стена, посебно глина (где углавном немају функцију штетне компоненте, али се мора знати њихова количина и гранулометрија у циљу избегавања дефеката на печеном црепу). Одређивање температуре разлагања карбоната може да се врши помоћу дилатометра или диференцијално термичке анализе која прати промену температуре узорка са променом спољне температуре.

Оксиди
Сировине које се у керамици користе у малом броју, ако се изузме SiO2 који сврставамо у групу силиката. Најважнији је оксид алуминијума Al2O3 . За разлику од многих других природних сировина, он се углавном користи као синтетички производ, мада се у природи моше јавити као чист, али у врло малим количинама. Al2O3 је ватросталан, топи се на 20500 , тврд је 9 по Мосу, врло би се тешко млео. Фини бели прах се добија синтетички , из природних боксита, који су по хемиском саставу моно или трихидрати алуминијума. Al2O3 H2О и Al2O3 3H2О И увек су праћени мањом или већом количином оксида гвожђа и глиновитих компоненти.. Пут од боксита до  оксида алуминијума  је дуг и сложен, а завршна фаза је процес калцинације. Као производ се добија алфа глиница, у облику финог праха, чије су димензије кристала неколико микрометара. Глиница се користи у прављењу сирових високотемпературних глазура, у прављењу електротехничког порцелана, где замењује кварцни песак, па се тај процес зове високоалуминатни (има боље механичке и друге карактеристике од кварцног порцелана). У керамици би могли да се користе и чисти боксити (у добијању тамнијих глазура са фвожђем, и као сировине , и као керамичке масе, са повећаним садржајем алуминијума. Најпознатији монохидрат је минерал бемит, а најпознатији трихидрат је гипсит. Често се среће и минерал хидропирит).
Оксиди алуминијума, у току термичког третмана не трпе промене, а тек на високим температурама, у присуству течне фазе (формиране нпр. Од фелдспата) може да се топи и прелази у стакласту фазу, доприносећи појави мулита у керамичкој маси. Јавља се и као кристална фаза у микроструктури порцелана.  Густина Al2O3 је висока 3,6- 4,0 г/цм.3 .Врло је тежак, а посебно велику примену има у производњи савремених керамичких маса. У прављењу глазура или  керамичких маса од оксида примену налазе
Цинк оксид ZnO функција замућивача у глазурама и функција топитеља. Циркон оксид ZrO2. Оловооксид PbO јак топитељ, главна компонента код добијања нискотопивих глазура. Титан оксид TiO2

Спинели
Група једињења чврстих раствора, дво и трокомпонентних оксида метала. Главни представник је минерал спинел
MgO Al2O3
Бојитељи  FeOFe2O3 ; хромит – добар боитељ FeOCr2O3, служи за бојење глазура
 
Сулфати
Се не користе много у керамичкој индустрији. Поједини су веома значајни у керамици. Гипс, који се користи за израду гипсаних калупа неопходних у процесу ливења.
CaSO4 2H2O Никада се не користи природни дихидрат. Прво се самеље, жари (105о-130о) и тада настаје минерал. Везује брзо у контакту са водом. Полухидрат
CaSO4 1/2H2O за потребе израде калупа користи се бета полухидрат, гипс који има лошије особине. Јавља се у више облика и то као штуко гипс, алабастер (бели прах) и медицински гипс.

6. 9. 2008.

Особине сировина

Карактеризација
Керамичке сировине се најчешће користе као ровне компоненте (онакве какве смо их извадили, чији састав варира с обзиром на лаке и честе промене квалитета сировине на самом лежишту). За сигурну примену је важно познавати елементарне карактеристике материјала са којим се ради, ради добијања што квалитетнијих производа – што мањег шкарта при раду. Друга је ситуација са пречишћеним или оплемењеним сировинама код којих су најважније карактеристике потпуно дефинисане и углавном непроменљиве, што олакшава рад и пружа сигурност при раду. Глина је главна сировина у уметничкој керамици, па је за рад са њом неопходно познавање њених карактеристика. За потпуну карактеризацију глине некада је потребно одређивање и преко 20 различитих карактеристика. Док за друге сировине, пре свега из реда опошћивача и топитеља довољно је одредити 3-4 карактеристике и да се већ има потпун увид у квалитет материјала. Довољно је познавати хемиски, минеролошки и гранулометријски (величина честице) састав, па да се без проблема користе у керамичкој маси. Од особина које треба одредити код сировина имамо: хемиски састав, минералошки састав, гранулометријски састав, влага, скупљање,пластичност, нормална конзистенција (колико оптимално воде треба додати), везивност, боја печења, механичке карактеристике, ватросталност, температурно синтеровање (оптимална температура за печење), скупљање при печењу, реолошке (особине суспензије).
Технолошке особине: обрадивост теста, густина суспензије, обрадивост материјала, (ако су пластичне масе) литарска маса.
Влажност
Величина која се увек одређује без обзира да ли се ради о сировини, маси или полупроизводу. Влажност дефинише количину воде у материјалу, која се може елиминисати сушењем на температури од 105о -110о. Стајањем на ваздуху влага материјала пада, али потпуно сушење треба извршити у сушари на поменутој температури. Потом је производ потпуно сув и може да иде на печење. Одређујемо две врсте влажности: релативна и апсолутна влага. Релативна влага је садржај влаге у материјалу у односу на масу влажног материјала (влага у односу на масу). Апсолутна влага се дефинише као маса воде у односу на масу суве супстанце, сувог материјала.
Wr = (Mvm - Msm) / Mvm  x 100%      Wa = (Mvm - Msm)/ Msm  x 100%
Mvm - маса влажног материјала
Msm - маса сувог материјала
Скупљање материјала
Сви керамички материјали се обликују у присуству воде, чији садржај варира у широким границама. У зависности од количине воде, производи ће се различито скупљати, све што је већа количина воде у материјалу, скупљање је све веће. Што више воде испари, скупљање је веће. У керамици имамо две врсте скупљање:
- скупљање при сушењу
- скупљање при печењу
Скупљање се једноставно одређује. Направи се плочица на којој се утисну зарези на растојању од 100mm, па се током сушења и печења може пратити скупљање.
Скупљање се израчунава:

S=(lo – l1)/ l1 x100%
lo полазна димензија влажног узорка у милиметрима
l1 – димензија узорка након сушења
Сушење треба вршити лагано, не одмах у сушари, плочица не сме бити много танка, да неби дошло до деформације. Мерење се врши шублером или лењиром.
 
Гранулометријски састав
Значајан податак за сваку сировину. На основу њега се утврђује величина честица или величина зрна, као и расподела величина честица унутар материјала. Гранулометријском анализом се пореди квантитативни однос појединих фракција, што је важно у пракси, за материјале чије су честице изнад 63 микрометра. Гранулометријски састав се одређује ситовном анализом, односно серијом гарнитура сита различитих отвора. За честице испод 63 микрометра користи се метода заснована на седиментацији - таложење. Ситовна анализа се ради тако што се одмери одређена количина материјала (100 грама) и сипа се на горње сито из серије.Серија сита намештена је тако да је на врху увек најкрупније сито, а на дну најситније. Обично се поставња у посуду која се назива дно серије. У индустрији се серија сита ставља на трескалицу. За величине фракције испод 63 микрометра користе се седиментационе методе , у које убрајамо Андреасенову методу (метода Андреасенове пипете) помоћу седиментационе ваге. Најпрецизније се мери ласерским анализама. Величина честице се може одредити и преко специфичне површине (Сп) - можемо је дефинисати као однос између површине праха који испитујемо и његове масе(М).
 Сп= С/М       (m2/g)
Заснована на апсорпцији гаса, бет метода ради на апсорпцији течног азота. Примењује се за веома ситне честице, а за крупне материјале (као што су цементи) користи се метода по Блену.
 
Губитак жарењем
Све сировине, а нарочито глине током жарења губе део своје масе, због сагоревања органског материјала или због разлагања различитих врста соли и испаравања гасова као што су CO2 и SO3 , или због различитих оксидо-редукционих процеса. Велики део губитка масе је условљен одласком различитих категорија воде. Мали губитак се јавља и одласком механичких категорија воде и хидроскопске воде, што се обично дешава на температури око 110о. Конструкциона вода одлази ма вишим температурама, које су код каолинита око 500о а код илита и монтморионита и изнад 700о. Одлазак ових категорија воде условљава и промену структуре материјала. Након одласка конституционе воде глина због губитка своје пластичности прелази у своје непластично стање, а такав материјал је познат као керамички цреп. Губитак жарењем се одређује тако што се одређена количина материјала жари на температури од 1000о и након хлађења поново одређује маса материјала. Због различитих хемиских реакција у материјалу долази до губитка материјала.
ГЖ= м/мсс x 100%
м – губитак масе при жарењу до константне масе
мсс – маса суве супстанце
Велики губитак масе имају глине са високим процентом карбоната, са доста органског материјала, али и глине које садрже велики проценат конституционе воде. Шта је условило велики губитак жарењем, најбоље се може видети анализом различитих кривих које се могу добити појединим инструменталним методама као што су термогравиметријска метода, диференцијално техничка и дилатометарска метода.

Хемиски састав
Најважнија карактеристика. Из те анализе се може проценити квалитет материјала, минералошки састав, присуство нечистоћа, температура печења, боја... Хемиска анализа обухвата релативно мали броја оксида који улазе у састав керамичког материјала: SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, K2O, Na2O
Према хемиском саставу, може се проценити и менералошки састав. На основу два параметра може се проценити ватросталност глине и могућности примене за дате потребе.
 
Пластичност
Основна карактеристика свих глина. Оне су једине природне сировине које поседују ово својство. Захваљујући томе, глина може да се обликује и под дејством мале силе, па пластичност можемо дефинисати као способност глине или керамичког материјала да се обликује под дејством мале силе, али и да задржи дати облик и по престанку дејства сила. Поред чисте глине, пластичност поседују и кера (масе на бази глине), у којима је проценат глине различит и креће се од минимум 30%. Захваљујући томе, глина је основна сировина у керамици и у производњи различитих типова керамичких маса (фајанс, полупорцелан, порцелан). У уметничкој керамици глина често представља једину сировину за прављење керамичких производа. Да би глина имала својство пластичности, њој се мора додати вода. У контакту са многим другим течностима, пре свега са неполарним, глина нема својство пластичности. Да би глина могла да се обликуј, потребно је додати одређену количину воде која даје квалитет пластичног теста, које се лако обликује. Оптимална количина воде за добијање теста је нормална конзистенција и она се одређује викатовим апаратом или иглом (на основу дубине продирања игле кроз пластично тесто под одређеним притиском, оптимално 9-5 mm). За одређивање садржаја воде и пластичности глине, у пракси се користе различите методе, али најважнија је она која одређује индекс пластичности – метода Атеберга. Метода Феферкорна одређује број пластичности.
По Атебергу се одређују две карактеристичне тачке и то су горња и доња граница пластичности. Горња граница пластичности представља максималну количину воде у тесту које може лепо да се обликује, и сваки даљи додатак воде изазвао би лепљење масе за руке. Доња граница пластичности одговара минималној количини воде у тесту, које може да се обликује без деформација. Сваки проценат воде испод тога, изазвало би појаву дефеката у маси што значи да таква маса није погодна за обликовање. Интервал пластичности представља разлику горњe границе влажности и доње границе влажности.
Ипл - интервал пластичности
Вгг -  горња граница влаге
Вдг – доња граница влаге
Ипл = Вгг – Вдг
Интервал пластичности представља садржај влаге унутар које се тесто лако обрађује без дефеката. У зависности од величине тог интервала, глине делимо на: високопластичне (Ипл је већи од 18, нпр. Гг = 35 , дг = 17), средњепластичне (9-18) и нископластичне (Ипл је мањи од 9). У случају добијања ниског интервала пластичности за неку глину, она се не мора елиминисати из употребе, пластичност јој се може побољшати додатком пластичније глине или мањом количином бентонита.
Поред ове две методе, у пракси се пластичност глине може одредити тако што се направи тањи ваљак са дефинисаном количином воде и ако приликом савијања он не пуца, кажемо да има довољну пластичност за рад. Друга једноставна метода базира се на прављењу лопти дефинисане масе и количине воде. Глинене лопте притискамо стакленом плочом, све до појаве првих пукотина по ободу. У колико је пречник те лепињевећи, пластичност је већа. Пластичност зависи од низа карактеристика глине као што су хемиски,минералошки састав и гранулометријски састав, садржај органског материјала, присуство опошћивача али и од количине додате воде. Значајан фактор је и температура, с порастом температуре, пластичност система се повећава. Да би се схватила пластичност система мора се знати састав и квалитет глине, као и други спољни фактори. Данас се пластичност најчешће објашњава преко три теорије : 
1.морфолошка  - по којој је пластичност глине везана за морфологију (облик) честице и како су глинене честице у облику хексагоналних плочица оне лако клизе под дејством силе, што доводи до лаког обликовања 
2. По колоидној теорији пластичност глине је везана за изразиту дисперзност глинених честица (димензија испод 1микрометра) и залазе у област колоида. Евентуално присуство органског материјала у глини поспешује пластичност глине 
3. Физичка теорија: главни узрок пластичности глине лежи у води и специфичним међусобним односима система вода – глина. Вода улази између глинених честица и потпомаже њихово померање под дејством силе. Уколико се количина воде знатније повећава, растојање између глинених честица се такође повећава и у једном моменту може да дође до течења таквог система – прелазак у суспензију. Супротно, ако би се количина воде смањила, пластичност система би опадала и он би прешао у крто стање у коме глина не би могла да се обликује без дефеката.
 
Везивност глине
Многе керамичке масе се праве комбинацијом глинених и других сировина које немају својство пластичности. И од композита који у свом саставу има доста опошћивача се тражи да поседује одређену пластичност да би маса могла да се обликује. Често се не зна у ком односу се сме додати непластичан материјал и која је количина глине која омогућава лако обликовање таквог композита. Та питања су везана за особину глине познату као везивност глине. Везивност глине представља способност глине да веже одређену количину непластичног материјала, а да притом не губи много од своје пластичности. Везивност се одређује додатком одређене количине кварцног песка глини од 10,20,30,40,50% и притом се увек одређије њена пластичност и прати до које количине додатог кварцног песка глина још поседује пластичност довољну за обликовање. Различити типови глине поседују различиту везивност па тако нпр. каолин и каолинске глине имају нижу везивност али и нижу пластичност од илитских глина, а оне нижу од бентонитских глина. Поред минеролошког састава битан утицај показује и гранулометријски састав глине. Фино дисперзне глине имају бољу везивност и бољу пластичност. У циљу побољшања обе ове карактеристике праве се глинени композити. Квантитативна мера процене везивности преко пластичности може се исказати и бројним вредностима. Глина која везује преко 50% кварцног песка а да се идаље лепо обликује спада у категорију високопластичних глина. Ако везује од 50% до 20% кварцног песка спада у категорију средњепластичних глина, уколико везује испод 20% кварцног песка тада говоримо о посним глинама које имају лошу везивност и моћ обликовања. Пластичност се може делимично побољшати и додатком органског материјала, у пракси се  то у уметничкој керамици не примењује, али се користи у индустријској производњи.