Керамические материалы Силикаты и силикатные материалы. Керамика

Силикаты - это соединения различных элементов с кремне­земом (оксидом кремния), в которых он играет роль кислоты.

Большинство силикатов отличаются ту­гоплавкостью и огнеупорностью, температура плавления их колеблется от 770 до 2130°С, некоторые обладают достаточно высокой твердостью. Большинство силикатов малогигроскопичны и стойки к кислотам, что широко исполь­зуется в различных областях техники и строительства.

Силикаты - самые распространенные химические соединения в коре и мантии Зем­ли, составляют более 80% их массы, а также в лунных породах и ме­теоритах. Общее число природных известных силикатов превы­шает 1500. По происхождению они делятся на кристаллизаци­онные (изверженные) породы и осадочные породы.

На рис.1 приведена классификация силикатов.

Рис.1. Классификация силикатов.

Природные силикаты используются как сырье в различных областях на­родного хозяйства:

- в технологических процессах, основанных на обжиге и плавке (глины, кварцит, полевой шпат и др.);

- в процессах гидротермальной обработки (асбест, слюда и др.);

- в строительстве;

- в металлургических процессах.

Искусственными (Силикатными материалами) называются материалы из смесей или сплавов силикатов, полисиликатов и алюмосиликатов. Их свойства зависят от их состава, строения кристал­лической решетки, природы сил, действующих между ионами.

Силикатные материалы насчитывают большое количество различных видов, представляют крупномасштабный продукт химического производства и используются во многих областях промышленности. Сырьем для их производства служат при­родные минералы (кварцевый песок, глины, полевой шпат, из­вестняк), промышленные продукты (карбонат натрия, бура, сульфат натрия, оксиды и соли различных металлов) и отходы (шлаки, шламы, зола).

По масштабам производства силикатные материалы занима­ют одно из первых мест.

Рассмотрим основные искусственные силикатные материалы.

Керамика

Керамика - неорганический материал, получаемый из минеральных масс (глин и их смесей с минеральными до­бавками, а также оксидов и других неорганических соеди­нений) в процессе высокотемпературного обжига. В резуль­тате обжига (1200-2500 °С) формируется структура мате­риала (спекание), изделие приобретает необходимые физи­ко-механические свойства.

Сырьем для производства керамики служат:

а) пластичные ма­териалы - глины;

б) непластичные (отощающие) добавки - крем­неземистые (кварц, песок), измельченный шамот и др. и в) плавни и минерализаторы, т. е. вещества, добавление которых способствует появлению жидкой фазы, - полевой шпат [(К, Na)₂О *А1₂О₃ *6SiO₂], карбонаты (СаСО₃, МgСО₃) и др.

Глины - наиболее распространенный вид сырья для произ­водства керамических изделий. Важнейшее свойство глины - пла­стичность.

- Высокопластичные, так называемые жирные глины хо­рошо формуются, но при обжиге дают большую усадку, изделия де­формируются и на них образуются трещины;

- малопластичные и непластичные глины - тощие или сухие - плохо формуются, но при обжиге дают малую усадку и изделие из них при этом не дефор­мируется. Чтобы получить массы с определенной пластичностью, смешивают жирные и тощие глины в определенных соотношениях.

Добавление к глинам непластичных сырьевых материалов или электролитов, содержащих ион Н⁺, снижает пластичность глины. Пластичность глины увеличивают добавлением органических кол­лоидов (гумуса, сахарной патоки, декстрина и др.), электролитов, содержащих ион ОН^-, а также выветриванием, вылеживанием и деаэрацией, вымораживанием.

Выветривание заключается в том, что глина лежит на воздухе в виде небольших грядок в течение года и дольше. Вылеживание глины осуществляется в сырых подвалах в течение нескольких не­дель при температуре 3-4-7° С. Деаэрация - удаление находяще­гося в массе воздуха вакуумированием.

Одной из важных характеристик глины служит огнеупорность, определяемая температурой размягчения. В зависимости от темпе­ратуры размягчения различают огнеупорные глины (выше 1580° С), тугоплавкие глины (от 1350 до 1580° С) и легкоплавкие глины (ни­же 1350° С).

При изготовлении изделий с высокой механической прочностью и кислотоупорностью к глинам добавляют плавни: полевой шпат, магнезит, доломит и.т. п., важнейшим из которых является калие­вый полевой шпат (т. пл. около 1200° С).

Изготовление керамических изделий идет по схеме представленной на рисунке 2.

Высокая температурная обработка

Сушка изделия

Формование изделий из шихты или массы

Подготовка шихты и приготовление массы

Сырье Материал

Рис.2. Принципиальная схема производства керамики.

Подготовка шихты нужна для обеспечения высокой интен­сивности последующих процессов высокотемпературной обра­ботки и состоит из обычных механических операций подготов­ки твердого сырья: измельчения, классификации, сушки, сме­шения компонентов

Для измельчения сырья используются щековые дробилки, бе­гуны, дезинтеграторы, вальцовые и шаровые мельницы и другие машины. Измельченный материал просеивается, ему придают опре­деленный гранулометрический состав.

Приготовление керамической массы зак­лючается в смешении сырья с некоторым количеством воды до по­лучения массы определенной консистенции, зависящей от способа дальнейшей переработки.

Приготовление массы осуществляется в шнеках-смесителях, смесительных бегунах, мешалках.

Операция формования должна обеспечить изготовление из­делия заданной формы и размеров, с учетом изменения их при последующих операциях сушки и высокотемпературной обра­ботки. Формование включает увлажнение материала (шихты), и, в зависимости от назначения изделия, брикетирование или придание материалу определенной формы.

Формование изделий производится одним из спо­собов: 1) пластичным, 2) полусухим и сухим и 3) отливкой в формы.

Пластичное формование применяется при изготовлении кирпича и других изделий.

Полусухое и сухое формование заключается в прессовании из­делий из порошкообразной массы, содержащей 4—16% воды. Оно осуществляется на механических или гидравлических прессах. В этом случае в форму, имеющую конфигурацию изделия, штам­пом выдавливается керамическая масса. Данным методом формуется кирпич.

Отливка изделий производится при применении жидкой кера­мической массы, содержащей 30—35% воды. Жидкую массу, или так называемый шликер, заливают в толстостенные гипсовые формы. Гипс впитывает влагу, твердые частицы оседают на поверхности формы и изделие затвердевает образуя черепок.

Сушка отформованных керамических из­делий производится в естественных условиях воздухом или чаще дымовыми газами в сушилках различных типов: камерных, подо­вых, туннельных.

Обжиг — наиболее ответственная стадия производства кера­мических изделий, завершающая технологический цикл. При об­жиге происходят сложные физические и химические процессы: уда­ление механической и гигроскопической влаги, удаление химиче­ски связанной, гидратной воды и собственно обжиг, при котором керамическая масса изделий приобретает твердый черепок. Для этих процессов необходим определенный температурный режим, зависящий от вида материала и изделия. Отклонение от темпера­турного режима приводит к образованию трещин, короблению и сплавлению готовых изделий. Обжиг керамических изделий осуществляется в печах периоди­ческого или непрерывного действия.

Нанесение рисунка и глазури на обожженное изделие производится различными способами: ручной росписью, раскраской при помощи пульверизатора по трафарету, раскраской на бумаге керамическими красками, переводят на изделие (как детские пере­водные картинки). После закрепления рисунка специальной обра­боткой изделие сушат и затем обжигают.

По способу фотокерамики на обожженное, преимущественно гла­зурованное, изделие наносят светочувствительный слой и фотогра­фируют рисунок. После нанесения тем или иным способом рисунка изделия повторно обжигают при более низкой температуре, чем основной обжиг.

Керамические краски — это обычно окислы различных метал­лов и их соли: бораты, силикаты, алюминаты.

Нанесение глазури необходимо для придания изде­лиям декоративных свойств или для защиты от воздействия внешней среды. Глазурь — это стекловидные силикаты. Применяют главным образом щелочноземельные, соляные глазури и бессвинцовые гла­зури.

Глазурь наносится на изделие погружением его в сосуд с гла­зурью, обливанием изделий глазурью, покрытием ее кистью и об­рызгиванием из пульверизатора. Изделия покрывают глазурью до обжига или после обжига (в этом случае их вторично обжигают).