MATERIAY CERAMICZNE Maria czka Program wykadw Oglna charakterystyka

MATERIAŁY CERAMICZNE Maria Łączka Program wykładów: • 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 èmateriały w postaci sypkiej; èw procesie technologicznym brak operacji formowania wyrobów; è 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, słabo przeświecające)

Wyroby porowate Zabarwione po wypaleniu Białe po wypaleniu ØCegła ØFajans ØMateriały ogniotrwałe ØNiektóre wyroby ceramiki specjalnej ØWyroby garncarskie

Wyroby nieporowate Nieprzeświecające ØKamionka Przeświecające, białe ØPorcelana ØPorcelit Słabo przeświecające, żółte ØWyroby steatytowe ØWyroby specjalne dla elektroniki

Ogólna charakterystyka surowców ceramicznych • Surowce plastyczne (ilaste) • Surowce nieplastyczne: – schudzające – topniki – surowce pomocnicze

Surowce plastyczne v. Gliny v. Kaoliny v. Bentonity vŁupki • Charakterystyka mineralogiczna: Skały osadowe złożone z różnego rodzaju minerałów krzemianowych (przeważnie uwodnione glinokrzemiany Al 2 O 3 m. Si. O 2 n. H 2 O).

Surowce plastyczne • Główne minerały występujące w surowcach plastycznych: v. Kaolinit (kaolin i łupki ogniotrwałe) v. Kaolinit, ility (gliny ogniotrwałe) v. 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 (Si. O 2): kwarc, kwarcyty, piaski kwarcowe • Surowce o wysokiej zawartości tlenku glinu: v. Surowce glinowe: korund i jego odmiany, uwodnione tlenki glinu; v. Surowce otrzymywane sztucznie: tlenek glinu, elektrokorund; v. Surowce glinowo-krzemianowe: sylimanit, mulit;

Surowce nieplastyczne spełniające rolę topników Obniżają temperaturę spiekania i topienia • Skalenie, piasek kwarcowy : v. Skaleń potasowy: ortoklaz K 2 O Al 2 O 3 Si. O 2; v. Skaleń sodowy: albit Na 2 O Al 2 O 3 Si. O 2; v. Anortyt Ca. O Al 2 O 3 Si. O 2 • Surowce wapniowe i magnezowe: v. Węglan wapniowy Ca. CO 3; v. Magnezyt Mg. CO 3; v. Dolomit Ca. CO 3 Mg. CO 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 bardzo plastyczna marmur lub kreda (Ca. CO 3) piasek kwarcowy 30% 32% 12% 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 % v. Do odlewania 25 -35 v. Do formowania plastycznego 15 -25 v. Do prasowania plastycznego 10 -14 v. Do prasowania suchego 3 -9

Formowanie wyrobów z mas ceramicznych: èOdlewanie w formach gipsowych èFormowanie z mas plastycznych – ręczne, przez tłoczenia, formowanie na prasach èPrasowanie vz mas półsypkich i sypkich vz mas plastycznych vhydrostatyczne vtermoplastyczne

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: qstosunek 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); qstosowanie odpowiednich smarów do smarowania wewnętrznych ścian form; qwprowadzenie odpowiedniego dodatku do mas spełniającego rolę środka poślizgowego, lepiszcza i środka zapobiegającego przyklejaniu się masy do formy;

Formowanie termoplastyczne Stosuje się przy formowaniu wyrobów o złożonych kształtach – ceramika specjalna Proces produkcyjny: èMieszanie 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)

Formowanie termoplastyczne èFormowanie przy pomocy wtryskarki ßNagrzewanie masy; ßWypływ ciekłej masy do formy pod wpływem sprężonego powietrza; ßOchładzanie-zastyganie masy, przyjmowanie kształtu formy; ßUsuwanie lepiszcza technologicznego; ßWypalanie. Wtryskarka: 1 – śruba dociskowa; 2 – forma; 3 – pojemnik; 4 – masa; 5 - olej

Suszenie i wypalanie Suszenie Rodzaje wody w masie ceramicznej: Nie związana chemicznie: v Swobodna v Kapilarna Związana chemicznie: strukturalna – konstytucyjna v Zaadsorbowana na powierzchni Usuwanie: 110 o. C 450 o. C

Zjawiska fizyko-chemiczne zachodzące przy suszeniu Usuwanie wody Siły kapilarne, występujące w masie podczas suszenia wywołują ciśnienia rzędu kilku atmosfer Konsekwencje Ødociskanie cząsteczek Øsilne zagęszczenie masy ceramicznej

Przebieg procesu suszenia: èMateriał suszony: ßMasa ceramiczna o składzie: (% wagowy): (% objętościowy): substancja stała woda 75% 25% 55% 45%

Przebieg procesu suszenia: èEtapy suszenia (wg wykresu Bourry’ego): Etap III skurczliwość do 6% skurczliwość do 22% (maksymalne zbliżenie się ziaren – osiągnięcie wilgotności krytycznej) usuwanie wody międzyziarnowej tworzenie się por (skurczliwość praktycznie występuje

Warunek sukcesu procesu suszenia Równomierne w całej objętości kształtki Oddawanie wody Przejście od stanu plastycznego do stwardniałego

Realizacja procesu suszenia w warunkach przemysłowych u. Suszarnie naturalne stelażowe (naturalny obieg powietrza) v. Suszenie dwustopniowe: nagrzewanie gazami o dużej wilgotności suszenie gazami o niższej wilgotności

Realizacja procesu suszenia w warunkach przemysłowych w. Suszarnie z kontrolowaną: ütemperaturą, üwilgotnością, üwymianą medium suszącego

Suszenie i wypalanie Wypalanie Składniki mas ceramicznych: Minerały ilaste : v Swobodna Topniki (surowce węglanowe, skalenie) v Kapilarna Surowce pomocnicze (substancje organiczne) Surowce schudzające (piasek kwarcowy)

Przemiany fizyczne i chemiczne zachodzące podczas wypalania PRZEMIANY FIZYCZNE PRZEMIANY CHEMICZNE Odparowanie wody Dysocjacja termiczna Parowanie substancji, topienie Reakcje syntezy i wymiany Przemiany polimorficzne, krystalizacja nowych faz Reakcje redox

Przykład podstawowych reakcji zachodzących podczas wypalania tworzyw ceramicznych : u. 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 + 3 H 2 O Al 4[Si 4 O 14] + 4 H 2 O (metakaolinit) Rozkład (mulityzacja) ok. 1000 o. C 2 Al 2 O 3. 4 Si. O 2 2 Al 2 O 3. 3 Si. O 2 metakaolinit faza spinelowa 2 Al 2 O 3. 2 Si. O 2 mulit przejściowy 3 Al 2 O 3. 2 Si. O 2 + Si. O 2 mulit 3: 2 krystobalit

Przykład podstawowych reakcji zachodzących podczas wypalania tworzyw ceramicznych : v. Dysocjacja termiczna surowców węglanowych: Ca. CO 3 Ca. O + CO 2 w. Tworzenie się krzemianów i ich topienie Ca. O + Si. O 2 Ca. Si. O 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 w fazie stałej z udziałem fazy ciekłej

Warunki wypalania wyrobów ceramicznych èWyroby ceramiki budowlanej – 1050 o. C èWyroby garncarskie ßNie szkliwione – 900 -950 o. C ßSzkliwione – 900 -1000 o. C èWyroby kamionkowe – 1100 -1280 o. C èWyroby fajansowe Wypał dwukrotny: I – 1100 -1300 o. C II – ze szkliwem – do 1300 o. C

Warunki wypalania wyrobów ceramicznych èWyroby porcelanowe i porcelitowe Wypał dwukrotny: I – na biskwit – 800 -950 o. C II – „na ostro” – 1350 -1410 o. C èWyroby ogniotrwałe – Zależnie od rodzaju 1350 -1500 o. C

Realizacja procesu wypalania tworzyw ceramicznych w warunkach przemysłowych u. Piece komorowe

Realizacja procesu wypalania tworzyw ceramicznych w warunkach przemysłowych v. Piece tunelowe

Realizacja procesu wypalania tworzyw ceramicznych w warunkach przemysłowych w. Piece kręgowe