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