Керамические массы

Происхождение. Слово «глина» имеет два значения. Глинами называют определенные виды горных пород и тонкодисперсные (пылеватые) фракции глинистой породы. Во втором случае про­водят различие между собственно глинистой частью породы и включениями, которые входят в состав глинистой горной породы. Глинистым сырьем служат тонкообломочные горные породы раз­личного химико-минералогического состава, встречающиеся в природе в рыхлом, пастообразном или уплотненном состоянии.

При обжиге до соответствующей температуры они теряют хими­чески связанную воду и при дальнейшем повышении температу­ры приобретают механическую прочность, свойственную камню.

Глина представляет собой продукт разложения и выветрива­ния полевошпатовых и некоторых других горных пород. В резуль­тате многолетних изменений температуры, действия солнечных лучей, мороза, дождей, ветра кристаллические горные породы растрескивались и разрушались. При химическом взаимодействии горных пород с углекислым газом воздуха, водой, породы по­степенно превращались в глинистые минералы, карбонаты и кварц.

Образовавшиеся глинистые минералы в зависимости от мест­ных условий либо оставались на месте образования, либо пере­носились водой, льдом или ветром в другие места. В первом слу­чае глины называют остаточными или первичными (или элюви­альными), во втором - осадочными или вторичными. Остаточ­ные (первичные) глины обычно характеризуются непостоянством состава. Их зерновой состав, как правило, изменяется от тонкодисперсных (пылевидных) разновидностей в верхней части зале­жи до грубодисперсных (зернистых) — в нижней, еще ниже ос­таточные глины постепенно переходят в неразложившееся мате­ринские (полевошпатовые) породы. Осадочные (вторичные) глины обычно более равномерны по составу и свойствам. Различа­ют делювиальные, ледниковые и лёссовидные осадочные глины. Делювиальные глины были перенесены дождевыми или снеговы­ми водами обычно недалеко от мест их происхождения. Для ме­сторождений этих глин характерны слоистые, напластования, не­однородный состав и засоренность мелкими примесями. Леднико­вые глины были перенесены ледником, который в далеком прош­лом покрывал значительную часть земной поверхности. Эти гли­ны залегают обычно линзами, бывают сильно засорены камени­стыми включениями от крупных валунов до мелкой щебенки. Лёссовидные глины были перенесены ветром, они располагаются преимущественно на границе бывших пустынь, где ветры значи­тельно меняли свою скорость.

Такие глины характеризуются од­нородностью состава, высокой дисперсностью (пылеватостью) и сильно пористым строением.

Отложенные глинистые породы с течением времени уплотня­лись, пропитывались различными растворимыми в воде солями и клеящими веществами (например, продуктами гниения и разло­жения растительности) и таким образом происходила цемента­ция частиц глин в отдельные агрегаты (группы) и целиком в гли­нистую породу. При этом образованные глинистые породы в за­висимости от свойств цементирующих пленок могут легко рас­пускаться в воде или быть водостойкими.

Глины характеризуют вещественным, зерновым и химическим составом.

Вещественный состав. Глины включают глинистое вещество и примеси.

Глинистое вещество представляет собой комплекс глинообразующих минералов, главнейшие из которых - каолинит, монтмориллонит и гидрослюда. Все глинообразующие минералы являются водными алюмосиликатами, им свойственно слоистое (пакетное) строение кристаллической решетки, при затворении водой они образуют тесто, способное формоваться.

Каолиниты (каолинит, диккит, накрит) имеют частицы раз­мером 1-3 мкм, они не способны присоединять и прочно удер­живать большое количество воды, при сушке сравнительно сво­бодно отдают присоединенную воду. Глинистые породы, в кото­рых преобладают каолинитовые минералы, называют каолина­ми. Каолины с небольшим количеством примесей огнеупорны, умеренно или малопластичны, мало чувствительны к сушке и обжигу, имеют белую окраску иногда с кремовым, розоватым или сероватым оттенком.

Монтмориллониты (монтмориллониты, нотронит, бейделлит) интенсивно поглощают довольно большое количество воды, проч­но ее удерживают и трудно отдают при сушке. При увлажнении они сильно набухают и могут увеличиваться в объеме в 16 раз. Размеры частиц монтмориллонита меньше 1 мкм. Глинистые по­роды, в которых преобладают монтмориллонитовые минералы, называются бентонитами. Такие глины высопластичны, дают значительную воздушную усадку, имеют повышенную склонность к трещинообразованию в процессе сушки и вспучиванию в про­цессе обжига. Бентониты используют в качестве добавок в мас­сы для повышения их пластичности и связующей способности.

Гидрослюды (иллит, гидромусковит) имеют в своем составе значительное количество оксидов щелочных и щелочноземельных металлов. Размеры частиц гидрослюды 1 мкм. Гидрослюдистые глины по степени связи с полон и по своим свойствам занимают среднее положение между каолинитом и монтмориллонитом. Они умеренно или среднепластичны.

В зависимости от количественного преобладания того или иного глинистого минерала различают глины каолинитовые, гидрослюдистые, монтмориллонитовые, гидрослюдисто-каолинитовые, монтмориллонито-гидрослюдистые и полиминеральные, которые содержат три и более глинистых минералов.

Примесями являются все составные части глинистой по­роды, не обладающие свойствами глинистых минералов.

Включения кварца и обломков горных пород встречаются в глинах в виде кварца, кварцитов, гранитов, сланцев и других пород. Они отощают глину, ухудшают ее технологические свой­ства — усложняют формование, обжиг, понижают прочность, а иногда и морозостойкость обожженных изделий.

Карбонатные включения (кальцит, доломит) встречаются в глинах в виде тонкодисперсных равномерно распределенных пылеватых частиц, рыхлых примазок и скоплений, в виде плотных каменистых включений. Тонкодисперсные карбонатные примеси разлагаются при обжиге и обусловливают повышенную порис­тость керамического черепка и некоторое понижение его прочно­сти, усложняют обжиг изделий. Рыхлые примазки и скопления при механической обработке глины легко разрушаются и превра­щаются в равномерно распределенную тонкодисперсную примесь, их количество обычно невелико и поэтому они существенно не влияют на свойства глин.

Каменистые карбонатные включения вредны; они вызывают постепенное разрушение обожженных изделий (дутик) в процес­се их хранения и эксплуатации.

Включения железистых минералов встречаются в виде тонкодисперсных, равномерно распределенных частиц {минерала ли­монита, оксидов или гидроксидов железа) или твердых включе­нии пирита или сидерита. Тонкодисперсные железистые примеси придают обожженному керамическому черепку различную окрас­ку от белого до красного цвета. При содержании в глине до 1 % оксидов железа и до 0,5 % оксидов титана образуется после об­жига белый черепок; глины, содержащие до 2 % оксидов желе­за и до 1 % оксидов титана, образуют черепок светлых тонов (желтоватый, сероватый). При большем количестве красящих оксидов интенсивность окраски черепка увеличивается.

Наличие тонкодисперсных железистых примесей способству­ет одновременно уменьшению огнеупорности глин и снижению температуры обжига изделий, а их повышенное содержание уве­личивает склонность глины к вспучиванию в процессе обжига. Включения пирита Ре5 или сидерита РеС03 вызывают на обож­женных изделиях появление железистых выплавок или точечных черных пятен, мушек.

Щелочные оксиды (калия и натрия) содержатся в примесях глин (в виде растворимых солей) и в полевошпатовом песке.

Растворимые соли при сушке изделия выступают на его по­верхности, а при обжиге оплавляются, образуя на поверхности изделия налеты различных цветов, ухудшая внешний вид, а в ряде случаев и эксплуатационные свойства изделий. Сернокис­лая соль натрия N82504 — вредная примесь, так как она крис­таллизуется в порах обожженного изделия с резким увеличени­ем объема и может вызвать разрушение изделия.

Органические примеси (остатки растительного происхожде­ния) обычно содержатся в глинах от 1 до 10 %. При обжиге из­делия они сгорают, выделяя газы, что может привести к образованию черной сердцевины в черепке изделия, а в ряде случаев — к вспучиванию черепка.

Зерновой состав. Глинистые породы состоят из частиц раз­личного размера. Зерновой состав представляет собой количест­венное соотношение частиц разного размера, фракций, выражен­ное в % по массе. Фракция — совокупность зерен в заданном ин­тервале размеров.

По содержанию тонкодисперсных фракций (ГОСТ 9169—75) глинистое сырье подразделяют на группы (табл. 1).

Таблица 1 Группы глин в зависимости от содержания тонкодисперсных фракций, %

По содержанию крупнозернистых включений размером более 0,5 мм различа­ют группы глинистого сырья с низким (менее 1 %), средним (1— 5 %) и высоким (свыше 5 %) содержанием включении. По раз­меру включений различают следующие виды глин: с мелкими (менее 1мм), средними (1-5мм) и крупными (свыше 5мм) включениями.

Химический состав. Химический состав глин в значительной мере характеризует их пригодность для производства изделии определенных видов. При сопоставлении химического состава различных глин обычно рассматривают количество оксидов раз­ных химических элементов, из которых состоят все соединения глин. Химический состав глин представляют следующими основ­ными оксидами.

Кремнезем SIO2 находится в глинах в связанном и свободном состояниях. Связанный кремнезем входит в состав глинообразующих минералов, свободный представлен примесями кварцевого песка. Общее содержание кремнезема в глинах 50—65 %, в запесоченных 80—85 %. В зависимости от содержания свободного кварца глины бывают: с низким (10%), средним (свыше 10 до 25%) и высоким (свыше 25%) содержанием.

Оксид алюминия AL2O3 находится в глинах в связанном состоянии, в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Он является наиболее тугоплавким оксидом, с повышением его содержания в них оксидов алюминия подразделяют на высокоглиноземистые (свыше 45%), высокоосновные (свыше 38-45%), основные (от 28 до 38%), полукислые (менее 28 до 14%) и кислые (менее 14%).

Оксиды щелочноземельных металлов, - оксид кальция CaO , оксид магния MgO входят обычно в состав карбонатов — кальцита и доломита, а в небольших количествах - в состав не­которых глинистых минералов. В небольших количествах (до 3— 4%) оксиды щелочноземельных металлов способствуют спеканию керамических масс, при больших количествах - приводит к повышению пористости черепка. Обычно содержание оксида кальция в глинах составляет несколько процентов и лишь в отдельных разновидностях достигает 20-25%. Содержание оксида магния не превышает 2--3 %.

Щелочные оксиды - оксид натрия Na2O и оксид калия K2O- входят и состав некоторых глинообразующих минералов, но могут присутствовать в примесях в виде растворимых солей и полевошпатных песках. Их содержание достигает в некоторых глинах 5-6 %. Они снижают влагопоглощение обожженных изделий.

Оксиды железа Fe2O3 присутствуют в глинах главным обра­зом в составе примесей. Содержание их в глинах колеблется от долей процента до 8—10 %,

Оксид титана TiO2 содержится в примесях, его количество не превышает 1,5%. Эта примесь придает обожженному черепку зеленоватую окраску.