Технологічні властивості керамічних матеріалів Технологічні властивості глин

Технологічні властивості глин характеризують матеріал на різних стадіях його опрацювання у процесі виготовлення з нього виробів. Ці властивості обумовлюються процесами, що відбуваються в матеріалі при змішуванні його з водою, формуванні, сушінні, випалі.

Вологоємкість характеризує спроможність глини вміщати в собі визначену кількість води та утримувати її. Із збільшенням дисперсності глини її вологоємкість зростає. Монтморилонітові глини мають найбільшу вологоємкість, каолінітові - найменшу.

Набрякання – спроможність глини збільшувати свій об’єм за рахунок поглинання вологи з повітря або при її безпосередньому контакті з водою. Процес набрякання в часі загасає. Пухкі породи глин набухають швидше, чим щільні. Запісоченість глин знижує ступінь їхнього набрякання. Монтморилонітові глини набухають сильніше, чим каолінітові.

Розмокання являє собою розпад у воді великих глинистих агрегатів на більш дрібні або елементарні частки. Перша стадія розпаду глинистого агрегату відбувається при його набряканні, коли молекули води, втягуючись у проміжки між зернами глини, розклинюють їх. В міру збільшення товщини водяної оболонки послабляється зв'язок між окремими зернами глини, і вони починають вільно переміщатися у воді, знаходячись у ній у зваженому стані, відбувається повне розмокання глини. Щільні глини розмокають дуже важко. Щоб прискорити процес розмокання, глину перемішують, механічно руйнуючи її шматки, або підігрівають воду.

Тиксотропне зміцнення – властивість вологої глиняної маси відновлювати структуру та міцність. Так, якщо свіжо приготований шлікер (глиняна маса рідкої консистенції) лишити на якийсь час у спокої, то він загусте і зміцниться, а після перемішування його текучість відновиться. Так може повторюватися багаторазово. Саме зміцнення глини відбувається внаслідок процесу переорієнтування часток глини та молекул води, що збільшує силу їхнього зчеплення. При цьому частина вільної води переходить у зв'язану. Тиксотропія глин має велике значення при готуванні шлікерів, пластичного тіста та формуванні виробів.

Явища тиксотропного зміцнення глиняного шлікеру в керамічній промисловості називається згущуваністю. Величина згущуваності залежить від характеру глин, утримання електролітів і утримання вологи.

Розрідження – властивість глин утворювати при додаванні води рухливі стійкі суспензії. Кількість води, необхідної для розрідження, визначається мінералогічним складом глин і регулюється додаванням електролітів. Оптимальне розрідження, тобто сполучення достатньої текучості і найменшого утримання води досягається при правильному виборі електроліту і його концентрації. У якості електролітів застосовують, звичайно, 5%-ти або 10 %-ні розчини соди, рідкого скла, пірофосфату натрію тощо. Останнім часом у якості електроліту застосовують вуглелужний реагент (ВЛР) - продукт взаємодії бурого вугілля з 40 - 55 %-ним розчином лугу.

Пластичність – спроможність глини утворювати при змішуванні з водою тісто, що під впливом зовнішніх механічних зусиль може приймати будь-яку форму без розриву цілісності і зберігати цю форму після припинення дії зусиль. Пластичність глин залежить від зернового та мінералогічного складів, а також запісоченості глин. З підвищенням дисперсності глин їхня пластичність зростає, найбільшою пластичністю володіють монтморилонітові глини, найменшою - каолінітові. Запісоченість глин знижує їх пластичність. Кількісною мірою пластичності глин служить число пластичності, що відбиває різницю між вологістю глини при нижній межі її текучості та вологістю глини на межі її розкочування у джгут.

Таким чином, число пластичності визначає інтервал вологості, у якому глина зберігає пластичний стан. У залежності від пластичності глиниста сировина підрозділяють на високо пластичні - із числом пластичності понад 25, середньо пластичне - понад 15 до 25, помірковано пластичне - понад 7 до 15, мало пластичне - понад 3 до 7 і непластичне, що не дає пластичного тіста.

В'яжуча спроможність – властивість глин зв'язувати частки непластичних матеріалів (піску, шамоту), зберігаючи при цьому спроможність маси, формуватися та давати після сушіння достатньо тривкий виріб. Сполучна спроможність залежить від зернового та мінералогічного складу глини. Зміни, що відбуваються у глиняній масі при її сушінні, виражаються в таких властивостях, як повітряна усадка, чутливість глин до сушіння та спроможність проводити вологу.

Повітряна усадка - зменшення лінійних розмірів і об'єму глиняного зразка при його сушінні. Величина повітряної усадки залежить від кількісного і якісного складу глинистої речовини та вологоємкості глини і коливається від 2 до 10 %. Монтморилонітові глини мають найбільшу усадку, каолінітові - мінімальної. Запісоченість глин знижує повітряну усадку.

Для одної і тієї ж глини величина повітряної усадки залежить від початкової вологості зразка.

Чутливість глин до сушіння впливає на терміни сушіння: чим більше чутливість глини до сушіння, тим більше потрібно затратити часу на сушіння, щоб одержати виріб без тріщин. Із збільшенням утримання глинистої речовини, особливо Монтморилоніту, чутливість глин до сушіння збільшується.

Коефіцієнт чутливості глин до сушіння К_ч являє собою відношення об'ємної усадки до обсягу пір.

За величиною коефіцієнта чутливості до сушіння глини розділяють на малочутливі (К_ч < 1), середньо чутливі (К_ч = 1-1,5) і високочутливі (К_ч > 1,5). Глини з К_ч < 0,5 також відносять до високочутливих, тому що вони відрізняються дуже низькою тріщиностійкістю.

Спроможність проводити вологу, характеризує інтенсивність переміщення вологи усередині виробу, що сохне. Кількісною мірою, що побічно характеризує інтенсивність переміщення вологи усередині виробу, що сохне, є коефіцієнт дифузії. Він залежить від розмірів капілярів, температури, утримання вологи, виду глинистого мінералу (у монтморилонітових глин він у 10-15 разів менше, ніж у каолінових), запісоченості глин.

У процесі нагрівання глин виявляються їхні термічні властивості. Найважливіші з них - вогнетривкість, спікливість і вогнева усадка.

Вогнетривкість – спроможність глин протистояти впливу високих температур, не розплавлюючись. Вогнетривкість глин залежить від їхнього хімічного складу. Глинозем підвищує вогнетривкість глин, тонко дисперсний кремнезем знижує, а грубозернистий підвищує. Солі лужних металів (натрію, калію) різко понижають вогнетривкість глин і служать найбільш сильними плавнями, оксиди лужноземельних металів також знижують вогнетривкість глин, але їхня дія виявляється при більш високих температурах. За показником вогнетривкості (^оС) глинисту сировину поділяють на три групи: 1 - вогнетривкі (1580^оС і вище), 2 - тугоплавкі (менше 1580^оС до 1350^оС), 3 - легкоплавкі (менше 1350^оС).

Обпалюємість – спроможність глин ущільнюватися при випалі з утворенням твердого коренеподібного черепка. Вона характеризується ступенем і інтервалом спікання.

Ступінь спікання контролюють величиною водопоглинання та щільності керамічного, черепка. У залежності від ступеня спікання глинисту сировину підрозділяють на сильно спікливу (утворюється черепок без ознак перепалювання з водопоглинанням менше 2%), середньо спікливу (черепок із водопоглинанням 2- 5%) і не спікливу (черепок із водопоглинанням 5% і менше без ознак перепалювання не утворюється). Ознаками перепалювання є деформація зразка, видиме спушування або зниження його загальної щільності більш ніж на 0,0510^-3 гр/см³. Зазначені значення водопоглинання повинні зберігатися не менше чим у двох температурних точках з інтервалом 50^оС. Наприклад, якщо у процесі випалу глини при температурі 1150^оС черепок має водопоглинання 0,5%, а при 1100^оС - 2%, глина сильно спіклива, а якщо та ж глина при температурі 1100^оС утворить черепок із водопоглинанням 4%, її відносять до середньо спікливої.

Спікання у глин може відбуватися при різних температурах. Якщо температура спікання глин нижче 1100^оС, їх називають глинами низькотемпературного спікання, 1100-1300^оС - середньо температурного спікання, більш 1300^оС - високотемпературного спікання.

Інтервал спікання також характеризує здатність глин до спікання і являє собою різницю між температурою початку перепалювання (деформації) глини та температурою початку спікання, при якій починається інтенсивне ущільнення матеріалу. Найменший інтервал спікання (приблизно 50-100^оС) у легкоплавких глин, найбільший (до 400^оС) - у вогнетривких.

Інтервал випалу виробів на відміну від інтервалу спікання глин являє собою різницю між температурами випалу виробу, у межах яких одержують придатний виріб, тобто його водопоглинання знаходиться в межах вимог стандарту на виріб.

Вогнева усадка – зменшення розмірів абсолютно сухого глиняного зразка при його випалюванні. Зближення глинистих часток відбувається під час випалу тільки з'явиться рідка фаза. Частки маси, що розплавилися не, при цьому змочуються та зближаються під впливом сил поверхневого натягу. Вогнева усадка коливається від 2 до 8%.