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;

Obecna definicja ceramiki: 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) podzia

- własnościach materiałów - zastosowaniu 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)

Zabarwione po wypaleniu Wyroby porowate Zabarwione po wypaleniu Cegła Materiały ogniotrwałe Wyroby garncarskie Białe po wypaleniu Fajans Niektóre wyroby ceramiki specjalnej

Słabo przeświecające, żółte Wyroby nieporowate Nieprzeświecające 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

Surowce plastyczne Gliny Kaoliny Bentonity Łupki Charakterystyka mineralogiczna: Skały osadowe złożone z różnego rodzaju minerałów krzemianowych (przeważnie uwodnione glinokrzemiany Al2O3mSiO2nH2O).

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 (SiO2): 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, piasek kwarcowy : Skaleń potasowy: ortoklaz K2O Al2O3 SiO2; Skaleń sodowy: albit Na2O Al2O3 SiO2; Anortyt CaO Al2O3 SiO2 Surowce wapniowe i magnezowe: Węglan wapniowy CaCO3; Magnezyt MgCO3; Dolomit CaCO3 MgCO3;

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 (CaCO3) 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 H2O 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 Stosuje się przy formowaniu wyrobów o złożonych kształtach – ceramika specjalna 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)

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

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

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 pomocnicze (substancje organiczne) Surowce schudzające (piasek kwarcowy)

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

Rozkład (mulityzacja) ok. 1000oC Przykład podstawowych reakcji zachodzących podczas wypalania tworzyw ceramicznych : Rozkład termiczny kaolinitu: Dehydroksylacja 600 – 700oC: (kaolinit) Al4[Si4O10](OH)8 Al4[Si4O13](OH)2 + 3H2O Al4[Si4O14] + 4H2O (metakaolinit) Rozkład (mulityzacja) ok. 1000oC 2Al2O3.4SiO2 2Al2O3.3SiO2 2Al2O3.2SiO2 metakaolinit faza spinelowa mulit przejściowy 3Al2O3.2SiO2 + SiO2 mulit 3:2 krystobalit

Przykład podstawowych reakcji zachodzących podczas wypalania tworzyw ceramicznych : Dysocjacja termiczna surowców węglanowych: CaCO3 CaO + CO2 Tworzenie się krzemianów i ich topienie CaO + SiO2 CaSiO3 Powstająca w temperaturach około 1000oC faza ciekła (szklista) zalewa pory powodując likwidacje struktury porowatej (porcelana)

z udziałem fazy ciekłej Wszystkim przemianom fizycznym i chemicznym zachodzących podczas wypalania tworzyw ceramicznych towarzyszy spiekanie!!! SPIEKANIE z udziałem fazy ciekłej w fazie stałej

Proces 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”

Proces spiekania Mechanizmy transportu masy podczas spiekania: dyfuzja przez objętość ziaren dyfuzja wzdłuż granicy międzyfazowej dyfuzja po swobodnych powierzchniach ziaren parowanie – kondensacja płynięcie lepkościowe

Warunki wypalania wyrobów ceramicznych Wyroby ceramiki budowlanej – 1050oC Wyroby garncarskie Nie szkliwione – 900-950oC Szkliwione – 900-1000oC Wyroby kamionkowe – 1100-1280oC Wyroby fajansowe Wypał dwukrotny: I – 1100-1300oC II – ze szkliwem – do 1300oC

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

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