SUROWCE CERAMICZNE

Tradycyjnie terminem ceramika określa się materiały uzyskane przez wypalanie substancji mineralnych, czemu towarzyszą nieodwracalne reakcje chemiczne. Materiały ceramiczne cechuje duża twardość oraz odporność na działanie wysokiej temperatury i czynników chemicznych. Materiały ceramiczne wytwarza się z masy ceramicznej.

Do najważniejszych własnosci masy ceramicznej należą:

• plastyczność (po rozrobieniu z wodą), dzieki której można ją formować, czyli nadać żądany kształt,

• oraz twardnienie pod wpływem wysokiej temperatury, co stwarza możliwość nadania uformowanym wyrobom trwałej postaci.

W skład masy ceramicznej wchodzą:

1. materiały plastyczne ułatwiające formowanie (kopaliny ilaste)

2. materiały schudzające zmniejszające kurczliwość podczas suszenia i wypalania

3. topniki, które ułatwiają proces technologiczny poprzez obniżenie temperatury wypału

Ad. a) Kopaliny ilaste to skały, które dzięki właściwościom zawartych w nich minerałów ilastych mogą znaleźć zastosowanie gospodarcze. Najbardziej zasobnymi w minerały ilaste skałami są skały ilaste i to one stanowią najistotniejszą grupę kopalin ilastych. Jednak nie należy utożsamiać tych dwóch pojęć ze sobą, gdyż do kopalin ilastych zalicza się także np. lessy zawierające głównie frakcję aleurytową i piaskowce o spoiwie kaolinitowym.

Składniki mineralne kopalin ilastych:

1. UŻYTECZNE - decydują o gospodarczej użyteczności kopaliny (minerały ilaste).

2. PŁONNE - regulują właściwości kopaliny nadane przez składniki użyteczne zwiększając lub zmniejszając ich działanie (np. kwarc we frakcji ilastej).

3. SZKODLIWE - utrudniają lub wręcz uniemożliwiają ich gospodarcze wykorzystanie poprzez znaczące obniżenie ich właściwości jako surowca, obniżenie rentowności produkcji, spowodowanie negatywnego wpływu na środowisko.

Przydatność kopaliny ilastej uzależniona jest zatem od: ilości i rodzaju składników użytecznych (min. ilastych), ilości i rodzaju składników płonnych, obecności i ilości składników szkodliwych.

Ad. 1 Składniki użyteczne - minerały ilaste

Minerały ilaste to zróżnicowany zespół mineralny, który różni się znacząco pomiędzy poszczególnymi grupami minerałów ilastych. Zasadnicze znacznie pod kątem surowcowym mają: kaolinit, haloizyt, smektyty (montmorillonit i beidellit), illit, chloryty. Należy pamiętać, że we frakcji iłowej nie występują wyłącznie minerały ilaste, ale także rozmaite inne, które nie przekraczają średnicy 0,002 mm. Dlatego nie należy utożsamiać zawartości frakcji iłowej z zawartością minerałów ilastych! Co więcej, minerały ilaste mogą z powodzeniem tworzyć agregaty przewyższające wielkością 0,002 mm i występować w znacznej ilości jako frakcja mułowa.

Minerały ilaste wiążą (adsorbują) cząsteczki wody. Jest to woda słabo związana nadająca skałom ilastym plastyczność, dzięki czemu stają się podatne na formowanie i nadawanie im dowolnych kształtów. Wysuszenie surowca powoduje czasowy zanik jego plastyczności, a po ponownym nawilżeniu staje się znów plastyczny. Wypalenie powoduje trwały zanik plastyczności i zachowanie nadanego kształtu tworząc materiał o znacznej wytrzymałości mechanicznej, co jest podstawą jego przydatność do większości zastosowań kopalin ilastych.

Ad. 3 Składniki szkodliwe

Za składniki szkodliwe uznaje się różne substancje w zależności od zastosowania kopaliny. W niektórych przypadkach nawet udział minerału ilastego może być szkodliwy, jak np. kaolinitu w bentonicie. Pod kątem ceramiki składniki szkodliwe można podzielić na 3 grupy:

• mechaniczne - okruchy > 2 mm, które w procesie termicznym zwiększają swą objętość (np. kwarc) i powodują mikroszczeliny obniżające wytrzymałość mechaniczną wyrobów

• organiczne - detrytus roślinny i wiwianit, które powodują zniekształcenia poprzez nadtapianie i nierównomierne pęcznienie (wciągając wodę pęcznieją, co zostaje utrwalone podczas suszenia, ale podczas wypalania w wyższych temperaturach ulegają spaleniu i pozostają po nich puste przestrzenie, co zwiększa porowatość wyrobów)

• chemiczne - margiel i sole łatwo rozpuszczalne w wodzie. Margiel (CaCO₃ > 0,5 mm - inaczej niż definicja petrologiczna) wypala się na higroskopijny CaO, przez co przechodzi później łatwo w Ca(OH)₂, który zwiększając objętość niszczy tworzywo. Sole (szczególnie MgSO₄) wielokrotnie krystalizując i rozpuszczając się wewnątrz tworzywa powodują tzw. murszenie, co ujawnia się dopiero po paru miesiącach lub latach. MgSO₄ powstaje podczas spiekania (Mg z dysocjacji dolomitu, a SO₄^2- z utleniania siarczków).

Gips (CaSO₄) jest szkodliwy głównie jako składnik mechaniczny, gdyż tylko ułamek procenta dysocjuje na SO₄^2- podczas wypalania. Głównie występuje jako wtórny a nie pierwotny.

Tlenki Fe szkodliwe są przy produkcji wyrobów ogniotrwałych, ale ułatwiają spiekanie surowców ceramiki budowlanej. Siarczki i węglany Fe mogą być szkodliwe jako składniki mechaniczne, np. jako konkrecje pirytowe lub syderytowe i chemiczne, gdyż z dysocjacji pirytu dostarczane są jony siarczkowe, które ulegają utlenieniu na jony siarczanowe.

Dla surowców ceramicznych rola węglanów (kalcytu i dolomitu) zależy od ich formy występowania (pylaste obniżają plastyczność i skurczliwość, ale także wrażliwość na wysychanie i temperaturę wypału, a jako margiel są szkodliwe jako składniki mechaniczne).

Procesy diagenetyczne mogą prowadzić do polepszenia jakości kopaliny (np. halmyroliza tufitów, odżelazienie i kaolinityzacja iłów liasowych w ogniotrwałe, odwapnienie glin lodowcowych i lessów), ale także do pogorszenia jej jakości (konkrecje).

Proces technologiczny

Ad. b) Surowce schudzające obniżają plastyczność i skurczliwość mas ceramicznych. Są to:

• surowce krzemionkowe, takie jak kwarc czy piaski kwarcowe (zawierające ok.98% SiO2)

• szamot, czyli glina wypalona w piecach obrotowych, następnie rozdrobniona i przesiana.

Ad. c) Topniki to surowce obniobniżające temperaturę spiekania mas ceramicznych. Należą do nich:

• surowce skaleniowe

• surowce węglanowe (wapienie, kreda, magnezyty, dolomity, margle)

Podział surowców ceramicznych pod kątem ich zastosowania:

1. Surowce ceramiki szlachetnej

2. Surowce ceramiki budowlanej

3. Surowce kruszyw ceramicznych

Ad 1) Surowce ceramiki szlachetnej to przede wszystkim:

• Surowce kaolinowe - są skałami powstałymi w wyniku wietrzenia skał magmowych, metamorficznych, niekiedy osadowych lub procesów hydrotermalnych. Składają się z kaolinitu (20%-75%), kwarcu (20%-60%), jasnych łuszczyków, illitu oraz innych materiałów odpornych na wietrzenie (cyrkon, rutyl). Służą do wyrobu porcelany.

• Iły biało wypalające się - iły (gliny) biało wypalające się po wypaleniu w temperaturze 1300 °C mają stopień białości co najmniej 50%, a po wypaleniu w temperaturze 1200 °C co najmniej 60%. Są to iły fajansowe i porcelitowe stanowiące podstawowy surowiec w przemyśle ceramiki półszlachetnej oraz do produkcji wyrobów sanitarnych.

• Iły kamionkowe - Iłami kamionkowymi nazywane są plastyczne skały ilaste dobrze spiekające się w zakresie temperatur 1000-1300 °C. Po wypaleniu dają tworzywo ceramiczne o czerepie spieczonym, odznaczające się mała nasiąkliwością oraz dużą odpornością na działanie czynników mechanicznych i chemicznych. Zastosowanie: płytki ceramiczne, naczynia i urządzenia kwasoodporne, wyroby sanitarne, rury.

• Bentonity - skały bentonitowe mają wiele specyficznych własności, jak: zdolność tworzenia zawiesin tiksotropowych, zdolność pęcznienia, plastyczność. Dzięki dwóm ostatnim wykorzystywane są w przemyśle ceramicznym do uplastyczniania mas ceramicznych.

Ad 2) W przemyśle ceramiki budowlanej stosowane są różnorodne surowce ilaste:

1. surowce czwartorzędowe: - gliny zwałowe
   - iły i gliny aluwialne - lessy i gliny lessowe
   - iły i mułki zastoiskowe - iły elbląskie (yoldiowe).

2. surowce trzeciorzędowe:
   - iły mio-plioceńskie (serii poznańskiej) - iły mioceńskie morskie (krakowieckie)
   - iły oligoceńskie (septariowe) - iłołupki fliszu karpackiego

3. surowce starszych formacji:
   - iły i iłołupki kredowe - iły jurajskie (doggerskie i liasowe)
   - iły triasowe (głównie retyku i kajpru) - iły permskie
   - iły i iłołupki karbońskie - iłowce kambryjskie

Wyroby: dachówki, cegły, pustaki, płyty okładzinowe (czerep porowaty), klinkier (czerep spieczony).

Kopaliny ilaste wykorzystywane są przede wszystkim do produkcji wyrobów budowlanych (cegieł, pustaków, dachówek, rur). Spośród wymagań, jakie powinny spełniać surowce ceramiki budowlanej, nasiąkliwość jest najbardziej zmienna i uzależniona od rodzaju wyrobu. Wszystkie wyroby prócz rurek drenarskich i materiałów stosowanych wewnątrz budynków muszą być mrozoodporne, a wszystkie rodzaje dachówek nieprzesiąkliwe.

Sporadycznie surowce niskotopliwe wykorzystuje się także jako surowce szkliwierskie do produkcji polew wyrobów kamionkowych - rur i naczyń. Surowce takie powinny się dodatkowo charakteryzować małą skurczliwością, aby polewa po wypaleniu pokrywała całą powierzchnię wyrobu i nadawała jej połysk oraz odpowiednią jednolitą barwę.

Ad. 3) Jako sztuczne kruszywa ceramiczne surowce muszą być niskotopliwe i pęczniejące (montmorillonit). Wśród nich nieznacznie pęczniejące i słabo plastyczne surowce (lessy, iły warwowe) wykorzystywane są do produkcji agloporytu (z gliny - glinoporyt, z łupków karbońskich - łupkoporyt), a silnie pęczniejące do produkcji keramzytu (80 % porowatość). Sztuczne kruszywa ceramiczne wykorzystywane są w regionach, gdzie kruszywa naturalne są niedostępne (np. w woj. łódzkim).

---