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 100^о разлаже и прелази у угљен диоксид и у виду гаса одлази у атмосферу и у CaO. Процес разлагања почиње на 700^о а некада чак и на 1000^о 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 2700^о, по боји сличан калциту, изразито бео, у природи се јављају различита друга обојења. За разлику од калцита, разлаже се на око 600^о, 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 (око1100^о), 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  FeOFe₂O_{3 ;} хромит – добар боитељ FeOCr₂O_3, 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 (105^о-130^о) 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.