2.1.1. Сырье для керамических изделий

Основным сырьем для изготовления керамических изделий являются тугоплавкие глины – вторичные осадочные породы. Глины имеют морское, озерное, делювиальное (состоящих из материалов разрушенных горных пород, смытых дождевыми потоками и талыми снеговыми водами со склонов гор, накапливающихся у их подножия), ледниковое, эоловое (состоящее из принесенных ветром продуктов выветривания плотных пород) происхождение. Они обладают высокой пластичностью, передают это свойство керамическим массам и способствуют их спеканию.

Глины отличаются тонкой дисперсностью, которая характеризуется преобладанием частиц размерами менее 10 мкм (более 50%) и менее 1 мкм (до 25%). По содержанию тонкодисперсных фракций глины подразделяются на группы (табл. 2.1.).

Таблица 2.1.

Содержание тонкодисперсных фракций в глинах

Группы глин	Содержание частиц, %, размером менее
	10 мкм	1 мкм
Высокодисперсные	Свыше 85	Свыше 60
Среднедисперсные	60...85	40...60
Низкодисперсные	30...60	15...40
Грубодисперсные	Менее 30	Менее 15

Все важнейшие физико-химические и технологические свойства глин и глинистых пород (пластичность, набухание, усадка, спекаемость, огнеупорность, вспучивание, адсорбция) зависят, главным образом, от минерального, гранулометрического и химического состава.

Минеральный состав глин отличается неоднородностью, однако в нем всегда преобладают глинистые вещества. В составе глинистого сырья в виде примесей встречаются зерна кварца, полевых шпатов, слюды, оксиды и гидрооксиды железа и марганца, а также органические вещества, растительные и животные остатки. В глинистом веществе может содержаться в большом количестве один или несколько минералов. Исходя из этого, глины подразделяют на мономинеральные, когда глинистое вещество состоит преимущественно из одного минерала, и полиминеральные ─ состоящее из нескольких минералов.

Глинистые минералы представляют собой водные алюмосиликаты (xАl₂О₃ · ySiO₂ · zH₂O), где х, y, z имеют различные значения.

К важнейшим глинистым минералам относятся: каолинит — Аl₂О₃ · 2SiO₂ · 2Н₂О, монтмориллонит — (Са, Mg)O · Аl₂О₃ · 4 — 5SiO₂ · xН₂О, гидрослюда (иллит) — К₂О · MgO · 4Аl₂О₃ · 7SiO₂ · 2Н₂О и др.

Мономинеральные глины, состоящие преимущественно из каолинита или минералов каолинитовой группы, называют каолином. Каолин отличается от других глин высоким содержанием глинозема Аl₂О₃, меньшей пластичностью и обладает свойством придавать повышенную белизну обожженному керамическому материалу.

Важнейшие свойства глин: пластичность, набухание усадка, спекаемость, огнеупорность, способность образовывать устойчивые суспензии.

Пластичность — способность глин образовывать с водой тестообразные массы, принимающие под давлением любую форму и сохраняющие ее после высыхания. Пластичность зависит от минералогического состава и дисперсности глин. С пластичностью связана способность глин образовывать с отощающими материалами (кварц, шамот и др.) прочную и твердую однородную массу.

По степени пластичности глины подразделяют на связующие, пластичные, тощие и непластичные. Связующие глины, имеющие наибольшую пластичность, способны образовывать пластичное тесто при добавке к ним более 50% непластичных материалов, тощие — только до 20%. Непластичные глины вообще не образуют пластичного теста.

Набухание — способность глины увеличиваться в объеме при смешивании с водой. Это свойство зависит от минерального и зернового состава глин.

Воздушная усадка — это уменьшение объема глины и изделий из нее при сушке, а огневая усадка — при обжиге. Воздушная и огневая усадки зависят от минералогического состава глинистого вещества, дисперсности и влажности изделий. Воздушная усадка тем больше, чем выше пластичность глин. Воздушная усадка колеблется от 1,5 до 13%, огневая — достигает 23% от объема сырого образца. Добавление отощающих материалов снижает усадку.

Спекаемость глин заключается в их способности при обжиге образовывать камнеподобное твердое тело (черепок), характеризующееся высокой механической прочностью и химической стойкостью. Степень спекания зависит от состава глинистой массы и режима обжига. Температура спекания у разных глин колеблется от 450 до 1400°С. По степени спекания при температуре обжига 1350°С глины делятся на сильноспекающиеся, способные при обжиге давать черепок с водопоглощением не более 2%, среднеспекающиеся — не более 5% и неспекающиеся — более 5%.

Огнеупорность — способность глин противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупорность зависит от химического состава глин, дисперсности, наличия примесей.

По огнеупорности глины делятся на высокоогнеупорные, огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие (температура плавления которых составляет 1700°С и выше, от 1580 до 1700°С, 1350...1580°С, менее 1350°С, соответственно).

Адсорбционные свойства характеризуются способностью глин поглощать из окружающей среды и удерживать на поверхности частиц глинистых минералов те или иные ионы и молекулы. Адсорбционные свойства глин зависят от их состава и дисперсности. Глины, образованные за счет вулканических туфов, обладают наиболее активными адсорбционными свойствами.

Цвет глин, как в сыром, так и в обожженном состоянии зависит от минерального состава и присутствия в них различных примесей. Мономинеральные глины имеют обычно белый или светло-серый цвет, каолин — чаще белый, желтоватый, серый. Зеленая и голубая окраска разной степени интенсивности присуща гидрослюдистым глинам. Гидрооксиды и оксиды железа придают глинам оттенки желтого, красного и фиолетового цветов; оксиды марганца — буроватый цвет. Наличие различных минеральных компонентов дает смешанную окраску, часто неравномерную по слою. Органические примеси окрашивают глины в серый, темно-серый и черный цвета.

По цвету обожженного черепка различают беложгущиеся глины (белый черепок), светложгущиеся (светло-желтый, светло-серый черепок), темножгущиеся (красный, коричневый оттенок черепка).

По содержанию красящих оксидов (Fe₂O₃ + ТiO₂), от которого зависит цвет глиняного черепка, глины подразделяют на четыре группы: с весьма низким содержанием (до 1%) красящих оксидов, с низким содержанием красящих оксидов (Fe₂O₃ менее 1,5%, ТiO₂ менее 1%), со средним содержанием красящих оксидов (Fe₂O₃ 1,5...3%, ТiO₂ 1...2%), с высоким содержанием красящих оксидов (Fe₂O₃ более 3%; ТiO₂ более 2%).

Отощающие материалы — это добавки к пластичным материалам, снижающие пластичность и усадку масс при сушке и обжиге. Отощающие материалы вводят в керамические массы для регулирования их структурно-механических и технологических свойств. К ним относятся кремнеземистые материалы, шамот (обожженная глина), череп (бой) глазурованных и неглазурованных изделий. В керамической промышленности в основном применяют кремнеземистые материалы: жильный кварц, кварцевые пески, кварцевые отходы каолиновых обогатительных фабрик (побочный продукт), кварц из пегматитов, диатомит, трепел, а также бой изделий.

Наиболее качественные отощающие материалы — жильный кварц и кварц из пегматитов. Их основная составляющая — кремнезем SiO₂ — может быть в различных формах α- и β - кварц, α-, β- и γ-тридимит, α- и β-кристобалит и кварцевое стекло.

В качестве искусственных отощающих добавок применяют шамот и бой керамических изделий. Шамот получают специальным обжигом огнеупорных глин с последующим их измельчением. Бой изделий в производстве художественной керамики используют также после предварительного измельчения.

Плавни — вещества, которые способствуют образованию при обжиге легкоплавких соединений и снижению температуры обжига изделий. Плавнями считаются материалы, которые при данном составе керамической массы раньше других переходят во время обжига в расплавленное состояние и служат растворителями для остальных компонентов. К ним относятся легкоплавкие материалы или те, которые, вступая во взаимодействие с другими компонентами, образуют легкоплавкие соединения. К первым причисляют полевые шпаты, ко вторым — карбонаты щелочноземельных металлов (кальция и магния).

Полевые шпаты — широко распространенные породообразующие минералы, представляющие собой алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов. Эти минералы способны образовывать твердые растворы. Натриево-кальциевые полевые шпаты (альбит и анортит) образуют так называемые плагиоклазы ( греч. косая ломка) ─ породообразующие минералы, входящие в группу каркасных; калиево-натриевые полевые шпаты — ортоклазы (греч. прямая ломка). Калиевый полевой шпат придает наибольшую вязкость расплаву, что уменьшает чувствительность керамических масс к перепаду температур.

Полевые шпаты, «проросшие» кварцем, называются пегматитом.

Полевые шпаты имеют различный цвет: красный, розовый, белый, серый. В качестве примесей в полевых шпатах присутствуют биотит, магнетит и др., которые окрашивают стекло и загрязняют его темной выплавкой — «мушкой». Карбонаты щелочноземельных металлов (кальция и магния) широко используют в производстве художественной керамики. К ним относятся: углекислый кальций СаСО₃ — известняк, мел, мрамор; углекислый магний MgCO₃ — магнезит; двойная углекислая соль кальция к магния СаСО₃ · MgCO₃ — доломит.

Известняк — осадочная горная порода, состоящая главным образом из кальцита СаСО₃ (56% СаО и 44% СО₂). Различают известняки химического и органического происхождения. Примером известняков органического происхождения служит мел, в котором содержится 96...99% СаСО₃

Мрамор — кристаллическая горная порода, состоящая в основном из кристаллов кальцита и доломита. В качестве примесей в нем присутствуют кварц, полевой шпат, рутил и др.

Магнезит — кристаллическая горная порода, которая встречается в природе в аморфном и кристаллическом виде. Магнезиты применяют как флюсующую добавку при получении фарфоровых масс повышенной белизны и некоторых глазурей.

Доломит — осадочная карбонатная горная порода; в природе встречается в виде крупно-, средне- и тонкозернистой твердой кристаллической породы, а также в виде более мягкой породы, называемой опокой.

Тальк - гидросиликат магния 3MgO · 4SiO₂ · Н₂О, мягкий материал (твердость по шкале Мооса-1); содержит примеси оксидов алюминия, железа, кальция. Цвет талька белый. Его используют главным образом для изготовления тонкокаменных масс.

Пирофиллит представляет собой мягкий материал, имеющий химический состав Аl₂О₃·4SiO₂·Н₂О. Применяют в производстве художественной керамики. Благодаря мягкости из него можно механической обработкой изготовить изделие, которое после обжига сохраняет свою форму и размеры и приобретает большую механическую прочность.

Глины относятся к полезным ископаемым, имеющим большое практическое значение, и добываются в больших количествах.

По ценности, составу и характеру технических требований промышленности выделяются следующие наиболее важные группы глин: грубокерамические, огнеупорные и тугоплавкие, каолины, адсорбционные и высокодисперсные (монтмориллонитовые).

Грубокерамические глины, обычно железисто-монтмориллонитовые, богаты кремнезёмом SiO2 (до 65-70%) и содержат много примесей. Причиной образования трещин в изделиях, изготавливаемых из этих глин, являются содержащиеся в них примеси в виде крупной гальки и песка.

Известковые и гипсовые включения при обжиге переходят в негашёную известь, которая, соединяясь с водой, вызывает вспучивание и разрушение изделий. Глины преимущественно легкоплавкие; температура спекания 900-1000 ºС, присутствие окислов железа вызывает её понижение. Эти глины используются в сыром виде (земляная набивка, саманный кирпич и пр.) и для изготовления грубокерамичесих изделий: посуды, дренажных труб, строительного красного кирпича, черепицы и т.д.

Пластичные сорта глин применяются также для изготовления гончарных сосудов, фигурок и пр., для лепки скульпторами оригиналов, которые либо переводятся в другие материалы (бронзу, мрамор, фарфор и др.), либо закрепляются обжигом. Глины широко применяются также для получения керамзита, используемого в качестве наполнителя лёгких бетонов.

Огнеупорные и тугоплавкие глины, преимущественно каолиновые с различными примесями, характеризуются высоким содержанием глинозёма Al2O3 (30-42%) и ряда примесей, содержание которых должно быть не более %: Fe2O3 3-4, TiO2 1-2, CaO 0,8, SO3 0,2-0,3. Эти глины обладают высокой связующей способностью и пластичностью, высокой огнеупорностью (не ниже 1600-1670 º С) и являются сырьём для различных керамических производств. Важнейшие из них – производство огнеупорного припаса для металлургических и стекольных печей, топок паровых котлов, изготовления различных изделий тонкой керамики, электрокерамики. Огнеупорные глины входят в состав многих формовочных земель, широко применяемых в литейном деле.

Каолин – малопластичные глины. Получают из каолина (сырца), который подвергают очистке – отмучиванию (растворение в воде с последующим осаждением) или воздушной сепарации, для отделения от крупных песчанистых примесей. Отмученный или очищенный каолин не должен содержать примесей песчанистых частиц. Содержание окиси железа в нём не должно быть больше 1-1,5%, а в лучших сортах – менее 0,5%. Используется в бумажной, резиновой, пластмассовой, парфюмерной и других отраслях промышленности, в качестве наполнителей, а также в керамическом производстве, как компонент фарфорово-фаянсовых масс

Монтомориллонитовые глины, имеют переменный химический состав (Ca, Na,) (Mg, Al, Fe)₂ [(Si, Al)₄ O₁₀] (OH)₂ ·nH₂O. Эти глины обладают большой пластичностью, применяются: в нефтеперерабатывающей промышленности, в качестве глинистого раствора при бурении; в металлургии  в качестве связки при производстве железорудных окатышей и для приготовления формовочных земель (при литье в земляную форму); а также в пищевой, химической, формацевтической и мыловаренной промышленности, благодаря их адсорбирующим и омыляющим свойствам.