4.4 Фарфор и фаянс

Фарфор является представителем тонкой непористой керамики, не­проницаемой для воды и газов. Изделия из фарфора находят широчайшее применение в быту и народном хозяйстве, в том числе и в строительстве (санитарно-технические изделия, электроизоляторы и т.д.).

Фарфор получают из сырьевой смеси, состоящей из глинистого ком­понента (каолин и белая глина), обеспечивающего необходимый химиче­ский состав материала и пластичность сырьевой массы, кварцевого песка (структурообразующий компонент) и полевого шпата, в основном калийсо-держащего (К₂О • А1₂О₃ • 6SiО₂). Количественные соотношения компонен­тов различаются для разных типов фарфора, но "классическая" формула предполагает соотношение 2:1:1. После тонкого измельчения и переме­шивания компонентов с водой производят формование изделия - полуфаб­риката с последующей сушкой и обжигом.

Для массивных фарфоровых изделий санитарно-строительного и элек­тротехнического назначения обычно применяют однократный обжиг при температурах 1320-1400°С. Предварительно поверхность изделия обычно покрывают тугоплавким глазурным составом (например, водной суспензи­ей каолина, полевого шпата и мела), в результате обжига образующим на поверхности изделия глазурь — тонкую стеклообразную пленку, повышаю­щую механическую прочность и улучшающую внешний вид изделия. Вы­пускают также изделия из неглазурованного фарфора, называемого биск­витом.

При обжиге фарфоровых масс до 1000 - 1100°С, происходят примерно те же процессы, что и при обжиге кирпича, включая разложение каолинита и образование муллита (3Al₂О₃∙2SiО₂). При дальнейшем нагревании, при 1150°С начинается плавление полевого шпата с образованием вязкого рас­плава. С ростом температуры количество жидкой фазы увеличивается, в ней растворяется значительная часть кристаллов кварца и муллита. К мо­менту достижения максимальной температуры обжига 1400°С массовая доля жидкой фазы, как правило, превышает 50%.

После охлаждения эта жидкая фаза превращается в стеклообразную матрицу состава хК₂О • уА1₂О₃ • zSiО₂. Содержание этой стеклофазы в

фарфоре, применяемом в промышленности и строительстве, составляет до 60%, она цементирует кристаллические фазы фарфора, к которым относят­ся муллит (15 - 30%) и кристаллический SiО₂ (14 - 22%). Пористость фар­фора, образованная замкнутыми пузырьками газов, образовавшихся при разложении примесей в сырье, составляет менее 4 - 6%.

Кроме твёрдого, производят также мягкий фарфор, содержащий зна­чительно больше стеклофазы (до 85%) и применяемый, в основном, как художественно-декоративный материал. При изготовлении некоторых его сортов в качестве плавня (вещества, обеспечивающего образование распла­ва - жидкой фазы), вместо полевого шпата используют мел (севрский фар­фор), фосфат кальция (английский фарфор) или нефелиновый сиенит (тех­нический мягкий фарфор). Высокое содержание плавней в сырьевой смеси позволяет снизить температуру обжига мягкого фарфора до 1200-1300°С.

Благодаря своей компактной структуре, фарфор отличается повышен­ной плотностью (2,4 - 2,5 г/см³) и прочностью (например, на сжатие 450 -700 МПа, на изгиб 60 - 140 МПа). В отличие от пористой керамики, при ударе он издает звонкий, долго не затухающий звук. Вследствие отсутствия открытой пористости, его водопоглощение практически равно нулю. По своим химическим свойствам фарфор характеризуется высокой стойкостью к воде и кислотам, но постепенно разрушается плавиковой кислотой (вод­ный раствор HF) и горячими растворами щелочей.

По составу сырья и способу получения, близким к фарфору материа­лом является фаянс, относящийся к пористой керамике. Фаянс, как и фар­фор, белого или почти белого цвета, однако он мягче, царапается сталью, легче ломается, обладает значительным водопоглощением и газопроницае­мостью, поэтому в большинстве случаев его покрывают глазурью.

Сырьевая смесь для производства фаянса состоит из каолина, белой глины, кварца и плавня, но количество последнего значительно меньше, чем в фарфоровых смесях (3 - 20%), и в его состав наряду с полевым шпа­том или вместо него, включаются карбонатные породы (мел, доломит). Температура первого обжига составляет 1200 - 1300°С, затем изделие по­крывают глазурным составом и вновь обжигают уже при более низкой тем­пературе (1050 - 1150°С).

В составе фаянса стекловидной фазы значительно меньше, чем в фарфоре (20 - 25%), и она не заполняет все пространство между кри­сталлами муллита и кварца (Si0₂), оставляя место для значительного количества пор (до 30% по объему), в основном открытых. Тем не менее изоляция пор глазурью и достаточная для многих целей прочность на сжатие (до 80 МПа) позволяет широко применять в строительстве фа­янсовые сантехнические изделия.