Program wykładów
Technologia tworzyw
ceramicznych
• Ogólna charakterystyka materiałów
ceramicznych
– Spiekanych (ceramika właściwa)
– Topionych (szkła i szkliwa)
– Wiążących (wapno, gips, cement)
• Charakterystyka surowców
ceramicznych stosowanych do
wytwarzania ceramiki właściwej
• Przykłady mas ceramicznych
• Technologie wytwarzania wyrobów
spiekanych:
– Przygotowanie mas ceramicznych;
– Sposoby formowania wyrobów z mas
ceramicznych;
– Suszenie;
– Spiekanie;
• Ceramika specjalna i niekonwencjonalne
sposoby wytwarzania materiałów
ceramicznych
• Charakterystyka surowców stosowanych do
wytwarzania szkieł i szkliw;
• Rodzaje szkieł i szkliw;
• Technologie przemysłowe i
niekonwencjonalne (synteza zol-żel)
wytwarzania szkieł i szkliw;
• Charakterystyka materiałów ogniotrwałych;
• Charakterystyka materiałów wiążących;
Co to jest ceramika?????
Ceramika
wywodzi się z greckiego
słowa
Keramos
czyli jest to wyrób,
który powstał pod wpływem
działania ognia (wypalania)
Obecna definicja ceramiki:
wyroby, które powstały w wyniku
przetwarzania surowców
mineralnych i chemicznych w
procesie wysokotemperaturowym
PODZIAŁ CERAMIKI
•WYROBY WYPALANE
(ceramika właściwa
)
•WYROBY TOPIONE
(szkła i szkliwa)
•MATERIAŁY WIĄŻĄCE
(wapno, gips cement)
Jakie są zasadnicze różnice
pomiędzy wymienionymi grupami
materiałów ceramicznych ????????
•Różnice tkwią w:
-
cyklu produkcyjnym
-
własnościach materiałów
-
zastosowaniu
RÓŻNICE POMIĘDZY
WYROBAMI TOPIONYMI I
WYPALANYMI
WYROBY WYPALANE
Przygotowanie surowców
Przygotowanie mas ceramicznych
Formowanie z mas ceramicznych
Suszenie i spiekanie (wypalanie)
RÓŻNICE POMIĘDZY
WYROBAMI TOPIONYMI I
WYPALANYMI
WYROBY TOPIONE (SZKŁA)
Przygotowanie surowców
Topienie
Formowanie ze stopu
Witryfikacja (zeszklenie)
MATERIAŁY WIĄŻĄCE
materiały w postaci sypkiej;
w procesie technologicznym
brak operacji formowania
wyrobów;
posiadają właściwości
wiązania i twardnienia po
zarobieniu z wodą;
CERAMIKA WŁAŚCIWA
Wyroby polikrystaliczne
(mogą zawierać fazę
szklistą), otrzymane z
surowców mineralnych
na drodze wypalania
CERAMIKA WŁAŚCIWA
• Ceramika szlachetna (fajans, kamionka,
porcelit, porcelana);
• Ceramika techniczna (ceramika sanitarna,
elementy aparatury itp..);
• Ceramika budowlana (cegły, dachówki,
płytki ścienne, płytki podłogowe, płytki
mrozoodporne);
• Ceramika ogniotrwała (wyroby
ogniotrwałe: kwaśne, zasadowe, obojętne,
specjalne);
• Ceramika specjalna (wyroby dla elektroniki
i innych zastosowań specjalnych)
PODZIAŁ WYROBÓW
Z CERAMIKI WYPALANEJ ZE
WZGLĘDU
NA CECHY FIZYCZNE
• Wyroby porowate (po wypaleniu
zabarwione lub białe)
• Wyroby nieporowate (nie
przeświecające, przeświecające,
słabo przeświecające)
Wyroby porowate
Zabarwione po
wypaleniu
Cegła
Materiały
ogniotrwałe
Wyroby
garncarskie
Białe po
wypaleniu
Fajans
Niektóre wyroby
ceramiki specjalnej
Wyroby nieporowate
Nieprzeświecając
e
Kamionka
Porcelit
Przeświecające,
białe
Porcelana
Słabo przeświecające,
żółte
Wyroby steatytowe
Wyroby specjalne dla
elektroniki
Ogólna charakterystyka
surowców ceramicznych
• Surowce plastyczne (ilaste)
• Surowce nieplastyczne:
– schudzające
– topniki
– surowce pomocnicze
Gliny
Kaoliny
Bentonity
Łupki
•Charakterystyka mineralogiczna:
Skały osadowe złożone z różnego
rodzaju minerałów krzemianowych
(przeważnie uwodnione
glinokrzemiany Al
2
O
3
mSiO
2
nH
2
O).
Surowce plastyczne
Surowce plastyczne
•Główne minerały występujące w
surowcach plastycznych:
Kaolinit (kaolin i łupki ogniotrwałe)
Kaolinit, ility (gliny ogniotrwałe)
Montmorylinity (bentonity)
•Podstawowa cecha
surowców ilastych:
PLASTYCZNOŚĆ
– zdolność tworzenia, po
zarobieniu z wodą masy, którą można
formować, a która zachowuje nadany jej
kształt po wysuszeniu i wypaleniu;
Surowce nieplastyczne
schudzające
Mają na celu
„schudzenie” plastycznych
surowców ilastych
(zmniejszenie
skurczliwości suszenia i wypalania)
•Surowce krzemionkowe (SiO
2
):
kwarc,
kwarcyty, piaski kwarcowe
•Surowce o wysokiej zawartości tlenku glinu:
Surowce glinowe: korund i jego odmiany,
uwodnione tlenki glinu;
Surowce otrzymywane sztucznie: tlenek glinu,
elektrokorund;
Surowce glinowo-krzemianowe: sylimanit,
mulit;
Surowce nieplastyczne
spełniające rolę topników
Obniżają temperaturę spiekania i topienia
•Skalenie (SiO
2
):
Skaleń potasowy: ortoklaz K
2
O Al
2
O
3
SiO
2
;
Skaleń sodowy: albit Na
2
O Al
2
O
3
SiO
2
;
Anortyt CaO Al
2
O
3
SiO
2
•Surowce wapniowe i magnezowe:
Węglan wapniowy CaCO
3
;
Magnezyt MgCO
3
;
Dolomit CaCO
3
MgCO
3
;
Klasyfikacja
surowców ilastych
ze względu na ich
przydatność do produkcji tworzyw
ceramicznych:
• Zawartość zanieczyszczeń w postaci
związków żelaza (decydują o
zabarwieniu wyrobu po wypaleniu);
• Zawartość zanieczyszczeń w postaci
związków wapnia, magnezu, potasu,
sodu itp. spełniających rolę topników
(decydują o ogniotrwałości wyrobu)
Przykłady:
• Kaoliny i gliny
wypalające się na
kolor
biały lub kremowy
(niska zawartość
związków żelaza) stosowane są do
wytwarzania wyrobów ceramiki szlachetnej
– porcelana, porcelit, fajans;
• Gliny ceglarskie
dają po wypaleniu czerep
o
barwie czerwonej
(duże ilości
zanieczyszczeń związkami żelaza);
• Gliny ogniotrwałe,
niska zawartość
topników (poniżej 6%), dają wyrób o
dużej
ogniotrwałości
Wyroby wypalane
• Przygotowanie surowców
• Przygotowanie mas ceramicznych
• Formowanie z mas ceramicznych
• Suszenie i spiekanie (wypalanie)
Przygotowanie surowców
• Wzbogacanie (oddzielanie niekorzystnych
domieszek)
• Wstępna przeróbka surowców
(rozdrabnianie)
Zestawianie mas
ceramicznych
Przykłady:
fajans
gliny: średnio-plastyczna 30%
bardzo plastyczna 32%
marmur lub kreda (CaCO
3
) 12%
piasek kwarcowy 26%
porcelana
substancja ilasta (kaolin)
50%
skaleń
25%
kwarc
25%
Przygotowanie mas
ceramicznych:
Mieszanie surowców w odpowiednich
urządzeniach (mieszadła, gniotowniki,
bełtacze) z dodatkiem wody i innych
składników w zależności od
przeznaczenia masy (sposobu
formowania wyrobu)
Przygotowanie mas
ceramicznych:
Odwadnianie i odpowietrzanie masy w
specjalnych prasach filtracyjnych i
próżniowych
Prasa
filtracyjna
Przeznaczenie mas
ceramicznych:
zawartość H
2
O
w %
Do odlewania 25-
35
Do formowania plastycznego 15-25
Do prasowania plastycznego 10-14
Do prasowania suchego 3-9
Formowanie wyrobów z mas
ceramicznych:
Odlewanie
w formach gipsowych
Formowanie z mas plastycznych
– ręczne,
przez tłoczenia, formowanie na prasach
Prasowanie
z mas półsypkich i sypkich
z mas plastycznych
hydrostatyczne
termoplastyczne
Odlewanie
w formach
gipsowych
Sporządzanie gęstwy (masy lejnej)
–
wodna
zawiesina zmielonych surowców
ceramicznych, charakteryzująca się niską
lepkością, niska szybkością osiadania,
niską skurczliwością (dodatek upłynniaczy
np. krzemian sodu)
Odlewanie
w formach
gipsowych
Odlewanie masy lejnej do formy gipsowej –
odlewnie jednostronne, dwustronne,
bateryjne
Pozostawienie w formie celem zgęstnienia
masy (woda odciągana jest przez formę
gipsową)
Formowanie z mas
plastycznych
Ręczne:
•
formowanie z bloczka
•
przez narzucanie masy
•
przez nacieranie masy
•
przez ubijanie
Toczenie wyrobów:
Najstarszy sposób formowania z gliny
– koło garncarskie
Prasowanie -
formowanie z mas
plastycznych, półsuchych i
suchych
Poddawanie mas działaniu wysokiego
ciśnienia w specjalnych formach
Warunek sukcesu:
równomierny
rozkład ciśnień w
obrębie prasowanej
kształtki; jeśli
rozkład ciśnień jest
nierównomierny –
wypaczanie wyrobu
Czynniki determinujące
proces formowania:
stosunek wysokości L wyrobu do jego
średnicy D
(wartość stosunku L : D ogranicza
wysokość wyrobów, które mogą być
formowane przez prasowanie)
– prasowanie
jednostronne i dwustronne (w dwustronnym
masa jest ściskana na raz od wierzchu i
spodu);
stosowanie odpowiednich
smarów
do
smarowania wewnętrznych ścian form;
wprowadzenie odpowiedniego
dodatku do
mas
spełniającego rolę
środka poślizgowego
,
lepiszcza
i środka zapobiegającego
przyklejaniu się masy do formy;
Formowanie termoplastyczne
Proces produkcyjny:
Mieszanie proszku technologicznego z
dodatkiem substancji termoplastycznej
np.
parafiny
(substancja termoplastyczna po
ogrzaniu zmienia stan skupienia:
ciało
stałe
ciecz
, a po ochłodzeniu proces jest
odwrotny:
ciecz
ciało stałe
)
Stosuje się przy formowaniu wyrobów o
złożonych kształtach – ceramika specjalna
Formowanie termoplastyczne
Formowanie przy pomocy wtryskarki
Nagrzewanie masy;
Wypływ ciekłej masy do formy pod wpływem
sprężonego powietrza;
Ochładzanie-zastyganie masy, przyjmowanie
kształtu formy;
Usuwanie lepiszcza technologicznego;
Wypalanie.
Wtryskarka:
1 – śruba
dociskowa; 2 –
forma;
3 – pojemnik;
4 – masa;
5 - olej
Suszenie i wypalanie
Suszenie
Rodzaje wody w masie ceramicznej:
Nie związana
chemicznie:
Swobodna
Kapilarna
Zaadsorbowana na
powierzchni
Związana
chemicznie:
strukturalna –
konstytucyjna
Usuwanie:
450
o
C
Usuwanie:
110
o
C
Zjawiska fizyko-chemiczne
zachodzące przy suszeniu
Usuwanie wody
Siły kapilarne, występujące w masie
podczas suszenia wywołują ciśnienia
rzędu kilku atmosfer
Konsekwencje
dociskanie cząsteczek
silne zagęszczenie masy ceramicznej
Przebieg procesu suszenia:
Materiał suszony
:
Masa ceramiczna o składzie:
(% wagowy):
substancja stała
75%
woda
25%
(% objętościowy):
substancja stała
55%
woda
45%
Przebieg procesu suszenia:
Etapy suszenia (wg wykresu Bourry’ego):
Etap I
skurczliwość do 6%
Etap II skurczliwość do 22%
(maksymalne zbliżenie się ziaren –
osiągnięcie wilgotności krytycznej)
Etap III usuwanie wody między-
ziarnowej
tworzenie się por
(
skurczliwość
praktycznie nie
występuje
Warunek sukcesu procesu
suszenia
Równomierne
w całej objętości kształtki
Oddawanie wody
Przejście od stanu
plastycznego do
stwardniałego
Realizacja procesu suszenia w
warunkach przemysłowych
Suszarnie naturalne
stelażowe
(naturalny obieg
powietrza)
Suszenie dwustopniowe:
nagrzewanie gazami o dużej
wilgotności
suszenie gazami o niższej
wilgotności
Realizacja procesu suszenia w
warunkach przemysłowych
Suszarnie z kontrolowaną:
temperaturą,
wilgotnością,
wymianą medium
suszącego
Suszenie i wypalanie
Wypalanie
Składniki mas ceramicznych:
Minerały ilaste :
Swobodna
Kapilarna
Topniki
(surowce
węglanowe,
skalenie)
Surowce schudzające
(piasek kwarcowy)
Surowce pomocnicze
(substancje
organiczne)
Przemiany fizyczne i
chemiczne zachodzące
podczas wypalania
PRZEMIANY FIZYCZNE
Odparowanie wody
Parowanie
substancji, topienie
Przemiany
polimorficzne,
krystalizacja nowych
faz
PRZEMIANY
CHEMICZNE
Dysocjacja
termiczna
Reakcje syntezy i
wymiany
Reakcje redox
Przykład podstawowych reakcji
zachodzących podczas wypalania
tworzyw ceramicznych :
Rozkład termiczny kaolinitu:
Dehydroksylacja 600 – 700
o
C:
(kaolinit) Al
4
[Si
4
O
10
](OH)
8
Al
4
[Si
4
O
13
](OH)
2
+
3H
2
O
Al
4
[Si
4
O
14
]
+ 4H
2
O
(metakaolinit)
Rozkład (mulityzacja) ok. 1000
o
C
2Al
2
O
3
.
4SiO
2
2Al
2
O
3
.
3SiO
2
2Al
2
O
3
.
2SiO
2
metakaolinit
faza spinelowa mulit przejściowy
3Al
2
O
3
.
2SiO
2
+
SiO
2
mulit 3:2
krystobalit
Przykład podstawowych reakcji
zachodzących podczas wypalania
tworzyw ceramicznych :
Dysocjacja termiczna surowców
węglanowych:
CaCO
3
CaO + CO2
Tworzenie się krzemianów i ich
topienie
CaO + SiO
2
CaSiO
3
Powstająca w temperaturach około 1000
o
C faza
ciekła (szklista) zalewa pory powodując likwidacje
struktury porowatej (porcelana)
Wszystkim
przemianom fizycznym
i chemicznym
zachodzących
podczas wypalania tworzyw
ceramicznych towarzyszy
spiekanie!!!
SPIEKANIE
SPIEKANIE
z udziałem
fazy
ciekłej
w fazie
stałej
P
P
roces spiekania
roces spiekania
Przekształcenie wypraski porowatej w
gesty polikryształ
;
Proces samorzutny
– dążność układu
do obniżenia energii swobodnej poprzez
zmniejszenie energii powierzchniowej;
Model spiekania
dwóch kulistych
ziarn:
r
– promień ziarna
x, x
’
– promienie
krzywizny
„szyjka”
P
P
roces spiekania
roces spiekania
Mechanizmy transportu masy
podczas spiekania:
1.
dyfuzja przez objętość ziaren
2.
dyfuzja wzdłuż granicy międzyfazowej
3.
dyfuzja po swobodnych powierzchniach ziaren
4.
parowanie – kondensacja
5.
płynięcie lepkościowe
Warunki wypalania wyrobów
ceramicznych
Wyroby ceramiki budowlanej – 1050
o
C
Wyroby garncarskie
Nie szkliwione –
900-950
o
C
Szkliwione
–
900-1000
o
C
Wyroby kamionkowe –
1100-1280
o
C
Wyroby fajansowe
Wypał dwukrotny:
I –
1100-1300
o
C
II –
ze szkliwem –
do 1300
o
C
Warunki wypalania wyrobów
ceramicznych
Wyroby porcelanowe i porcelitowe
Wypał dwukrotny:
I –
na biskwit –
800-950
o
C
II –
„na ostro” –
1350-1410
o
C
Wyroby ogniotrwałe –
Zależnie od rodzaju
1350-1500
o
C
Realizacja procesu wypalania
tworzyw ceramicznych w
warunkach przemysłowych
Piece komorowe
Realizacja procesu wypalania
tworzyw ceramicznych w
warunkach przemysłowych
Piece tunelowe
Realizacja procesu wypalania
tworzyw ceramicznych w
warunkach przemysłowych
Piece kręgowe