Корзина
16 отзывов
+7-812-645-1845
Керамогранит, кирпич, керамическая плитка

Химия керамики

Происхождение
Изготовление изделий из обожженной глины было частью человеческой истории на протяжении многих тысяч лет. Маленькая статуэтка женщины - самый ранний из известных предметов из обожженной земли, датированный почти 30 000 лет назад. Самый ранний известный пример гончарного сосуда был сделан около 18 000 лет назад. С тех пор, ремесло керамики используется во всех частях мира, как для практических целей: создания сосудов используемых для хранения пищевых продуктов,так и как выражение искусства и ритуала. Около 7000 лет назад египтяне открыли искусство глазирования своих горшков. Впоследствии китайцы неуклонно совершенствовали печи, и поэтому стало возможным выпускать все больше и больше украшенных керамических изделий и фарфора.

 Огромные успехи в изготовлении горшков были результатом терпеливых проб и ошибок тысяч гончаров за тысячи лет. Научный подход к процессу стал возможен только в последние два столетия, первоначально при установлении составов используемых материалов использовался метод проб и ошибок. Совсем недавно, с развитием современных аналитических методов, стало возможным выяснение их структур. Хотя в настоящее время известно много о материалах и их структурах, существует так много переменных и настолько сложных структур, что эмпирический подход все еще в значительной степени доминирует при изготовлении горшков.

Формирование горшка 

Есть много способов формирования горшка. Ручное наращивание является самым ранним методом и до сих пор широко используется. Гончарный круг был изобретен около 7000 лет назад и стал  выбором для многих гончаров. Во всех методах необходимо, чтобы глина содержала немного воды; не слишком много, потому что это делает глину слишком мягкой и неработоспособной, или даже превращает ее в «слип» - дисперсию глины в воде. Суть пластичности заключается в том, что глина принимает форму, приданную ей, применяя силу, и она сохраняет эту форму, если на нее не действует какая-то другая сила.

Это свойство легко понять, если учесть, что слои разделены тонким слоем молекул воды, которые связаны с соседними слоями водородными связями. Это слабые, но все же значительные силы. Они достаточно слабы, чтобы позволить глиняным листам скользить друг против друга при приложении некоторой силы, но достаточно сильны, чтобы удерживать их на месте после снятия силы. Другими словами, глине можно придать форму, которую она затем сохраняет.

Когда глина высыхает, молекулы воды испаряются из глиняных листов, поэтому они сближаются (глина сжимается на 5% и более). Гидроксилы каолинита становятся водородно связанными со следующим слоем, образуя более прочную структуру. Если в этот момент глиняный объект будет помещен в воду, он распадется и может быть возвращен в работоспособное состояние.

Глина

Группа минералов полевого шпата составляет около 60% земной коры. Они представляют собой силикаты алюминия, также содержащие щелочные и/или щелочноземельные металлы. Типичным примером является ортоклаз, примерный состав которого приведен в виде K 2 O.Al 2 O 3 .6SiO 2 . За геологическое время значительная часть полевого шпата была разрушена в результате процесса выветривания. Хотя эти породы кажутся твердыми и вечными, в течение миллионов лет эффект дождя, слегка подкисленный растворенным CO 2 , растворяет некоторые оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, оставляя оксиды кремния и алюминия:

2 O.Al 2 O 3 · 6SiO  + 2H 2 O → Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O + K 2 O (SiO 2 ) + 3SiO 2

Полевой шпат - глинистый минерал в растворе в глине 

Глина либо найдена там, где она была сформирована, либо может быть перенесена реками и отложена в другом месте. При транспортировке водой частицы продолжают становиться все тоньше и тоньше благодаря действию других пород. Они также разделены по размеру в зависимости от того, что решается первым. В результате, глина является основным компонентом почвы во всем мире, с различными свойствами в соответствии с точными условиями, которые применялись во время ее формирования. 

Кристалические структуры

Исследования установили, что глинистые минералы состоят из листов тетраэдрического диоксида кремния (SiO 2 ) и октаэдрического оксида алюминия (Al 2 O 3 ), связанных через мостиковые атомы кислорода. На поверхности «листов» из оксида алюминия некоторые атомы кислорода находятся в форме ОН-групп, и в структуре также имеются ОН-группы. Вообще говоря, есть две основные категории глинистых минералов: те, с одним листом каждого из оксидов кремния и алюминия, и те, с двумя листами оксида кремния, окружающими лист оксида алюминия.

Кристаллическая структура показывает пластинчатые частицы, которые сложены в слои, связанные водородными связями. Именно благодаря структуре, свойствам и превращениям каолинита мы можем понять физические изменения, связанные с изготовлением горшка. Хотя имеются залежи практически чистого каолинита, на практике он всегда используется как часть смеси с другими минералами, либо потому, что он выкопан из почвы в загрязненном состоянии и используется непосредственно, либо потому, что он смешан с другими минералами (например, полевой шпат и кварц) для достижения желаемых свойств. 

Обжиг горшка

Сухой горшок затем нагревают, чтобы отогнать еще немного воды. Как только его температура достигает около 500ºC, изменения в нем становятся необратимыми. На данный момент глина очень хрупкая и рассыпчатая, но она больше не может быть восстановлена ​​в исходное работоспособное состояние. Эта стадия описывается как отгонка так называемой химически связанной воды:

[глина] -OH + HO- [глина] → [глина] -O- [глина] + H 2 O (г) 

Слабые водородные связи заменяются более сильными и короткими кислородными мостиками (глина может сжиматься немного дальше). Когда это происходит, глина больше не может быть переработана. Связывание соседних частиц глины является постепенным процессом, и если обжига останавливают при температуре около 500ºC, будет сформировано достаточное количество этих поперечных связей, чтобы предотвратить повторное использование, но недостаточно для укрепления детали. Одновременно теряется правильная пластинчатая кристаллическая структура каолинита и образуется аморфный метакаолинит. 

Как правило, изделие сначала обжигают до температуры около 1000 ° С, чтобы получить так называемую «посуду для печенья» с очень небольшой дальнейшей усадкой.Посуда довольно прочная и пористая; она легко впитывает воду и снова очень легко высыхает. Её глазируют, распределяя суспензию твердых частиц глазури в воде над горшком, выливая, окуная или распыляя, а когда она высыхает, снова обжигают её при соответствующей температуре для глины и глазури.

Керамика против глиняной посуды

Кастрюли могут быть классифицированы в зависимости от температуры, при которой они были запущены - фаянс (1000-1150ºC), керамика и фарфор (> 1200ºC). В любом случае состав глины должен быть таким, чтобы при «температуре созревания» он начинал "стекловаться", а частичное плавление некоторых его компонентов обеспечивает «клей» для обеспечения его прочности.

Другие химические изменения происходят во время обжига. Они включают в себя сжигание всего органического вещества, часто встречающегося во многих глинах, разложение карбонатов, которые являются общими ингредиентами многих глазурей, и дальнейшее сшивание метакаолинита для создания трехмерной сети с удалением воды. Трудно поверить, что вода есть в горшках, обожженных до температуры глиняной посуды, но легко продемонстрировать:

Возьмите две чашки, одну глиняную и одну керамическую, и добавьте воды в обе. Поместите их в микроволновую печь и дайте ей поработать 2-3 минуты. Вода в обоих должна быть горячей; ручка глиняной чашки также будет горячей, а ручка из керамики - холодной. Поскольку микроволновые печи нагревают воду, заставляя молекулы воды двигаться быстрее, горячая ручка на глиняной чашке указывает на наличие свободных подвижных молекул воды.

При температуре керамики метакаолинит превращается в муллит (3Al 2 O 3. 2 SiO 2 ), который образует иглоподобные кристаллы, а полевой шпат плавится в стекло, связывая вместе кристаллы муллита. Эти два структурных изменения объясняют гораздо большую твердость и прочность керамики по сравнению с глиняной посудой.

Глазури

Большинство керамической посуды "застеклены", то есть покрыты тонким стеклом. Это может быть для эстетических или практических целей, как правило, для обоих. Это особенно важно для горшков с едой. Глазурь обычно состоит из трех основных компонентов:

  • диоксид кремния, чтобы обеспечить основной корпус
  • оксид алюминия для повышения вязкости глазури путем сшивания кремнеземных сеток
  • флюсы, как правило, оксиды щелочных или щелочноземельных металлов, для понижения температуры плавления смеси до температуры обжига. 

Кроме того, обычно включают оксиды переходных металлов для придания цвета глазури.

Гончар должен учитывать три важных свойства глазури. Это текстура (грубая или гладкая), непрозрачность (прозрачная или непрозрачная) и цвет. Первые два лучше всего рассматривать вместе с точки зрения свойств плавления твердых смесей.

Обобщенная фазовая диаграмма иллюстрирует проблемы. Давайте рассмотрим смесь состава, обозначенную красной линией; когда он достигает температуры T E , он начинает плавиться. По мере повышения температуры доля твердого вещества уменьшается, а доля жидкости увеличивается до тех пор, пока последний из твердого вещества не расплавится.

Точка «1» соответствует глазури, полностью расплавленной при температуре созревания. Такая глазурь используется, когда вся отделка была выполнена перед остеклением и если требуется гладкая блестящая поверхность

Точка «2» обозначает температуру созревания, когда требуется непрозрачная глазурь; она должна иметь гладкую поверхность (глазурь в основном жидкая), но она должна содержать твердое вещество, чтобы рассеивать свет и обеспечивать непрозрачность. На практике температура в печи может значительно отличаться от номинальной, что может осложнить ситуацию.

Температура, указанная в точке «3», дает глазурь, которая по-прежнему в основном твердая, с расплавленной лишь небольшой частью. Такие глазури кажутся грубыми на ощупь, так как жидкости достаточно только для склеивания твердых компонентов вместе с объектом; они не рекомендуются для использования с едой.

Хотя фазовая диаграмма иллюстрирует общие явления, она представляет собой чрезмерное упрощение реальной ситуации с глазурями по двум основным причинам. Одна из них заключается в том, что большинство глазурей содержат более двух компонентов, а другая заключается в том, что диаграмма предполагает, что никаких химических изменений не произойдет между или между А и В. Это вряд ли когда-либо случится, поэтому любая фазовая диаграмма, представляющая поведение не точна, реального глазурь будет гораздо сложнее.  

Цвет 

Основные минералы, входящие в состав глазури, бесцветны. Оба SiO 2 (кварц) и Al 2 O 3(корунд) известны в природе в чистом виде как белые кристаллические твердые вещества. Они также встречаются в загрязненных формах: аметист и цитрин представляют собой кварц, загрязненный железом, а рубин - это корунд, загрязненный серой. Когда загрязняющими веществами в корунде являются Fe, Co, Ti и V, они известны как сапфиры различных цветов. В большинстве глазурей цвет обеспечивается оксидами переходных металлов первого ряда; в дополнение к уже упомянутым, медь также широко используется. В керамике наиболее распространенными оксидами являются железо, медь и кобальт. Из них железо кажется наиболее универсальным; в зависимости от условий обжига и от того, что еще присутствует в глазури, он может давать красный, желтый, коричневый, синий и зеленый различных оттенков.

Неудивительно, что две доминирующие переменные - это степень окисления и окружение иона переходного металла. Гончары, использующие печи, отапливаемые дровами, газом или маслом, имеют возможность использовать восстановительные условия для части обжига. Подача кислорода ограничена, и атмосфера в печи становится обогащенной CO. Если переходные металлы присутствуют в глазури с низкой концентрацией, они могут быть снижены до более низкого уровня окисления. 

Сосуд на рисунке глазируют смесью, содержащей CuO. В условиях окисления это могло бы появиться в знакомых синих или зеленых соединениях меди. Под воздействием восстанавливающих условиях медь присутствует в виде смеси Cu 2 O и тонкодисперсной элементарной меди, следовательно , цвет наблюдаемого изделия приобретает красный оттенок.

Очарование керамики в том, что переменных много, возможности безграничны, и это открывает возможности как для художественного, так и для научного творчества. Кроме того, вы можете пить свой чай из своих творений.

Стивен Бройер - гончар, ранее преподававший химию в Ланкастерском университете.

 

Предыдущие статьи
  • О бренде Kerama Marazzi (Керама марацци)
    По оценке авторитетных изданий, и социальных опросов, керамическая плитка от производителя Kerama Marazzi является самым популярным отделочным материалом в России, а также в некоторых других странах, при том не только у конечного потребителя,...
    О бренде Kerama Marazzi (Керама марацци)
  • Что такое майолика?
    Если кто-то вплотную интересовался керамикой, искусством или историей, то наверняка слышал про майолику. А знаете ли вы, что это такое?
    Что такое майолика?
  • Клинкерная брусчатка
    Около двухсот лет назад голландцы изобрели технологию производства клинкера. Они использовали опыт и смекалку мастеров и на выходе получили материал, который используется до сих пор, соответствуя всем самым высоким стандартам и требованиям.
    Клинкерная брусчатка