Приготовление керамических масс

Весы и взвешивание. Несмотря на то, что при изучении физико-химии силикатов, а следовательно, и керамики требуется высокая точность измерений, — для практического составления керамиче­ских масс и глазурей слишком большой точности не требуется.

Составы (рецепты) для практического их использования выра­жают обычно в весовых процентах (%) или весовых частях (в. ч.).

Единица веса — грамм (г) в метрической системе мер практи­чески равняется весу одного кубического сантиметра (см³) чистой воды. 1 см³воды, представляющий собой тысячную долю одного литра (л), т. е. миллилитр, обозначают сокращенно мл.

Для приготовления учебных керамических масс или глазурей в количествах до 200, до 1000 и до 5000 г можно пользоваться лабораторно-техническимивесами.

Для сохранения чувствительности весов надо строго придержи­ваться правила: не нагружать их больше указанного для них веса и не делать дополнительных загрузок материалов в момент их ка­чания. Перед взвешиванием лабораторные весы должны быть скор­ректированы с помощью тарировочных гаек коромысла. При ка­чании стрелки надо добиться одинакового отклонения ее в обе, стороны по делениям. При добавках и уменьшении завесов арретир должен находиться всегда в нерабочем поло­жении (закрыт). Он открывается лишь для проверки веса.

Рис. 94. Разрез эксикатора
1 — притертая крышка, 2 — фарфоровая чашка, 3 — фар­форовая решетка

Значительную по весу добавку того или иного компонента сле­дует производить сбрасыванием материала с совка, а при небольших добавлениях или уменьшениях веса надо пользоваться шпателем (постукивая по нему пальцем).

Для отмеривания воды по объему пользуются градуиро­ваннымистекляннымимензурками разной ем­кости или другой посудой известной емкости.

Учет влажности материала. Посмотрим, как отразится на весе влажность материала, если, например, в глине ее окажется 14,7%, а завес согласно рецепту должен весить 2 кг (2000 г), но в виде су­хого материала.

Для определения влажности берут кусочек глины (около 100 г) и, уточняя вес, завешивают его в предварительно тарированной фарфоровой чашечке (сухой). Поместив завес с чашечкой в сушиль­ный шкаф, высушивают ее в течение 2—3 ч при температуре 105— 110° С, а после этого, дав остыть в стеклянном эксикаторе (рис. 94), взвешивают. Затем надо поставить чашечку с завесом еще разв сушильный шкаф на 25—30 мин, а потом снова взвесить. Если при втором взвешивании вес изменится, то завес досушивают до «по­стоянного веса».

Сам расчет прост: например, если вес влажной глины был 97,5г, а высушенной — 85,0 г, то влажность по отношению к сухому весу будет:

100 * ( 97,5 - 85,0 ) / 85,0 = 14,7 %

Для того чтобы получить 2000 г (2 кг) сухой глины, ее следует брать на каждые 100 гна 14,7 г больше, т. е. 114,7 г; таким образом, для 2000 г сухой глины надо взять в 20 раз больше, т. е. 2294 г, или 2,294 кг; короче: 2000*1,147 = 2,294 кг.

Если не принять во внимание влажность, то сухого материала будет 1706 г.

Способы замачивания и смешивания масс (для получения пластич­ного теста). Рассмотрим три способа замачивания и смешивания масс: шликерный, пластический и мельничный.

Шликерный способ. При замачивании необходимые количества воды колеблются в пределах 1100—1500 в. ч. на 1000 в. ч. сухих материалов, что зависит главным образом от «жирности» массы, т. е. от свойств примененной в ней глины. Достаточно точные (контрольные) отправные данные можно получить, если к 100 г глины прибавлять понемногу воды, измеряя ее мензуркой и разме­шивая массу до сметанообразного состояния. Затем полученную для 100 г цифру относят ко всему завесу материалов. Надо прибавлять шихту в воду, но не наоборот, так как в последнем случае она раз­мачивается труднее. Для смешивания нужно применять лишь нер­жавеющий, эмалированный или оцинкованный сосуд и некорродирующее весло.

Через одни-двое суток после замачивания шликер перемешивают и пропускают через сито 36 отв/см²и тоньше. Значительно быстрее (за 3—4 ч) приготовляется шликер при использовании мешалки про­пеллерного типа (см. рис. 159). Для процеживания пригодны сита с деревянной обечайкой и латунной проволокой. При пропускании шликера сито надо встряхивать.

На плоскую гипсовую доску с бортиками кладут влажный холст и выливают на нее шликер, который постепенно обезвоживается. Подвяливать массу надо до тех пор, когда она только-только пере­станет прилипать к рукам. Иногда массу сразу выпаривают просто на плите, но при этом в ней остается много растворимых солей, ко­торые при формовании, сушке и обжиге выступают в виде белесых пятен на изделии, т. е. дают «выцветы» (см. ниже).

Шликерный способ отличается тем, что благодаря его примене­нию удаляется много растворимых солей, крупный песок и хорошо смешиваются компоненты массы. В конечном итоге рабочая масса, в зависимости от свойств использованных глин, будет содержать от 16 до 25% воды.

Некоторые керамисты для удаления воды рекомендуют создавать разрежение (вакуум). Если массы весьма немного, то для этого мож­но использовать толстостенную колбу с трубочным отводом у гор­ловины (Вульфа) и воронку Бюхнера (рис. 95). Фильтрование осуще­ствляют с помощью плотной фильтровальной бумаги или ткани, положенных на плоское с отверстиями дно воронки. На заводах и даже в небольших мастерских для обезвоживания применяют так называемые фильтрпрессы (см. рис. 160).

Пластический способ. Смешанную шихту засыпают ровным слоем в таз и пальцем или палочкой протыкают в ней отвер­стия до дна таза. Воду надо добавлять осторожно, так как сначала кажется, что воды налито еще недостаточно, а на самом деле, после тщательного перемешивания, может оказать­ся, что ее добавлено слишком много. Тре­бующееся количество воды предварительно замеряют на небольшом количестве пробы. Перемешивание пропитанных водой неболь­ших порций массы производят вручную. Пред­варительно надо внимательно проследить за зерновым составом порошков, так как отсеять крупные каменистые включения при этом спо­собе невозможно.

Рис. 95.  Воронка  Бюхнера,   приспособленная   для фильтрации небольшого  количества шликера с по­мощью вакуума
1 — шликер,  2 — пластичная  масса,   3 — фильтровальная бумага или ткань, 4 — пористая пластина

Массы, содержащие шамот, такие, как терракотовые, в основном готовятся пластическим способом и перемешиваются (при неболь­ших порциях) вручную; на заводах и оснащенных мастерских — на специальных глиномялках (см. рис. 161). Весьма желательно такие массы после обезвоживания оставлять для вылеживания (старения), ибо после этого значительно улучшаются их свой­ства даже за сравнительно короткое время — один-два месяца (см. ниже).

Мельничный способ. Смешиваемые материалы и вода подаются в шаровую мельницу. Длительность ее вращения зависит от начальной и необходимой конечной величины частиц загрузки, а также от технической характеристики мель­ницы

Скорость вращения шаровой мельницы при известном опыте можно установить на слух, по ее грохоту. При слишком быстром вращении шары прижимаются к футеровке барабана, а потому из­мельчения и смешивания не произойдет. Чересчур медленное враще­ние заставит шары слегка скользить по «уходящему» от них дну ба­рабана, что также даст весьма небольшой эффект.

Надо найти такую скорость, чтобы шары, поднявшись наверх, оторвались от футеровки цилиндра и упали на дно (рис. 96). Приб­лиженно:

n=35/ √D, при D > 1,25 м,

n=40/ √D, при D <= 1,25 м,

где D — внутренний диаметр мельницы; n — число оборотов мельницы в минуту.

Например, если диаметр мельницы 1 м, то легко опре­делить,   что   скорость    вращения   должна   быть   40 об/мин,

а если D= 0,5 м,то

n=40/ √0,5 = 40 / 0,707 = 56 об/мин

 

Рис. 96.   Правильное  дей­ствие   шаровой   мельницы (удар и истирание)
1 — барабан с обшивкой; 2— шары

Оптимальную степень заполнения барабана при этом увеличивают до 80% емкости. На практике максимальное число оборотов, высчитанное по фор­муле, обычно несколько уменьшают.

При выполнении учебных работ ме­лющие тела(кремневая галька или фар­форовые шары) могут занимать прибли­зительно половину объема мельницы; в промежутках между ними будут на­ходиться компоненты массы. Вскоре после начала пуска мельницы ее надо, остановить и проверить, не прилипает ли глина к шарам.

После смешивания слив пропускают через сито и, если возможно, через магнитныйсепаратор, а затем обезвоживают, как указано выше.

При пластическом замачивании желательно оставлять некоторую избыточную влажность в глине, так как совершенно сухая глина трудно замачивается и в ней образуются «глазки», ведущие к трещи­нам.

Перебивка пластичных масс. Снятая с фильтрпресса или вакуум-фильтра или обезвоженная каким-либо иным способом пластичная масса неоднородна по влажности, зерновому составу и др. и требует дальнейшей обработки.

В первой главе описан прием ручной перебивки массы. Насколько важен этот процесс, можно судить по весьма поучительному опыту перебивки двух различно окрашенных масс, одна из которых белая, а другая окрашена, например, окисью хрома (рис. 97)

Известная неоднородность остается даже при обработке масс в глиномялках, если ограничиться однократным пропусканием через них массы. В последнее время доказано, что масса при выходе из мундштука пресса приобретает некоторую структурность (ориен­тировку частиц), которая в дальнейшем обусловливает повышенную деформацию, особенно на плоских изделиях. Оказывается, что для пластического формования нужна масса с хаотически расположен­ными частицами.

Так называемый восточныйспособ перебивки массы сводится к ритмичному давлению «от правой руки» с некоторым за­кручиванием массы,  создающим впечатление «тече­ния» ее в одном направле­нии (рис. 98).

 

Рис 97. Неоднородность двух плохо смешанных масс, одна из которых окрашена (разрез)

 

Рис. 98. Последовательность ручной проминки массы (восточный способ)

Вылеживание (старение) масс. Пластичную массу можно хранить в оцинко­ванном плотно закрываю­щемся ящике. Небольшие ее порции следует помещать в виде шаров и цилиндрических роли­ков в целлофановые мешки или в непористые керамические сосуды с резиновой прокладкой в крышке.

Чем дольше во влажном, теплом и затемненном помещении выле­живается масса, тем лучшими становятся ее формовочные свойства. Некоторые исследователи считают, что повышенная температура и влажность помещения способствуют образованию коллоидных гид­роокисей алюминия и железа [Al(OH)₃ и Fe(OH)₃]. Из нашего опыта явствует, что при продолжительном действии воды на порошкооб­разный полевой шпат можно по изменению цвета даже лакмусового индикатора установить, что вытяжка имеет щелочную среду, т. е. в ней присутствуют гидроксильные ионы (рН 7). Накопление коллоидных веществ при длительном вылеживании должно улуч­шать пластичность и формовочные свойства масс.

Искусственного улучшения пластичности достигают также путем введения в массы вытяжек торфа, соломы и растений, дающих дубильные кислоты.  В литературе отмечается,  что китайские керамисты подвергали старению массы в течение многих десят­ков лет.

Разжижение (дефлокуляция). Можно значительно снизить содер­жание воды в шликере, не увеличивая его вязкости, а главное — сделать его на продолжительное время равномерно суспензирован­ным и не расслаивающимся, благодаря чему при отливке стенки изделия будут равномерными и более прочными, а износ форм мень­шим. К разжижающим реагентам относится много соединений (даже органических),но наиболее известны щелочные соли слабых кислот, как, например, сода (Na₂CO₃), силикат натрия (жидкое стекло — Na₂SiO₃) и их смеси.

В керамике подобные вещества называют дефлокулян-т а м и или, если это проводящие ток соединения, — электро­литами. Общее количество электролита редко превышает 0,4— 0,5% от веса сухой массы. После его введения шликер приобретает такую текучесть, какой обладала бы суспензия с значительно боль­шим содержанием воды, но без дефлокулянта.

По одной из теорий, действие дефлокулянтов на глинистые сус­пензии связано в основном с приобретением одноименной зарядности частиц суспензии при наличии отрицательно заряженных гидро-ксильных ионов, что ведет к отталкиванию их друг от друга и де­лает их подвижными. Важно также состояние водных пленок (обо­лочек) вокруг глинистых частиц.

Опыт показывает, что излишняя добавка электролита (~1%) приводит к загустеванию шликера, а еще большая добавка (иногда свыше 1 %) — снова с разжижению, но качество шликера становится хуже, чем при малых добавках, и он расслаивается. Слишком на­бухшие частицы разъединяются (распадаются), водная пленка во­круг них становится очень большой.

Скажем так: дефлокулянт воздействует на физико-химические силы глинистых суспензий и увеличивает их текучесть в основном из-за появления концентрирующихся вокруг глинистых частиц водных оболочек и наличия сил отталкивания между частицами.

Установление оптимального разжижения литейного шликера. Способность той или иной глины к разжижению приходится уста­навливать каждый раз опытным путем. При этом имеет влияние даже химический состав воды, на которой приготовляется шликер. На глины с большим содержанием извести или соединений железа дефлокулянты действуют в ряде случаев неэффективно.

Для подбора оптимальных количеств электролитов надо иметь приготовленные на мягкой воде пяти- или десятипроцентные их ра­створы (Na₂C0₃, Na₂SiO_s, таннин и др.). Раствор, содержащий жид­кое стекло, хранить более месяца не следует.

Необходим также набор из шести стеклянных цилиндров ем­костью по 300 см³с делениями и притертой пробкой. В каждый из них засыпают 50 г высушенной порошкообразной глинистой шихты. В первый цилиндр заливают столько воды (без электролита), чтобы заведомо получился весьма вязкий и малоподвижный шликер.

К остальным навескам прибавляют возрастающее каждый раз на 0,05% количество электролита, начиная от 0,05% во втором ци линдре и кончая 0,25% в шестом. Недостающее количество раствора электролита при перемешивании надо довести водой до уровня в первом цилиндре.

На другой день содержимое цилиндров вновь перемешивают и на глаз устанавливают, при каком количестве электролита получилось оптимальное разжижение (хорошая текучесть при минимуме воды). Если это не достигнуто, следует начать опыт с 0,3% электролита или заменить электролит другим.

Когда будут намечены оптимальные пределы разжижения, в этом интервале можно дополнительно уточнить количество электролита, добавляя его по 0,01 %.

Допустим, что в качестве стандартного раствора мы имеем пятипроцентный раствор сухой соды. Каждый кубический сантиметр этого раствора содержит 5/100 — 0,05 гсухого электролита. Если надо, чтобы во втором цилиндре содержалось 0,05% сухого электро­лита по отношению к сухой шихте (50 г),то стандартного раствора электролита надо взять 0,5 см³(0,05% сверх 100% шихты).

Оптимальное количество электролита в кубических сантиметрах, а также удельный вес изучаемого шликера, определяемый как частное от деления его веса на объем, следует записать. Во многих случаях хорошие результаты дает комбинация из двух электролитов даже при весьма малом их содержании Неоправданно больших ко­личеств щелочного электролита надо избегать, так как это дает слишком плотное присасывание отливки к форме, а кроме того, -— этим можно «сжечь» (разрушить) гипс.

Вес шликера в объеме 100 см³. Для такого определения от полу­ченного и хорошо размешанного шликера отбирают пробу (немного больше 100 см³),сразу же переливают ее в заранее взвешенную колбу емкостью 100 см³до метки и взвешивают. Разность в весах даст вес шликера, заключающегося в объеме 100 см³и при делении на 100 — вес 1 см³шликера. Например: 165,0 (разность)/100 = 1,65.

Установление вшликере количества сухого материала при условном удельном весе последнего.

Опыт показывает, что удель­ные веса каолинов, глин и большинства непластичных материалов отличаются между собой незначительно и в среднем равны 2,50— 2,65. (Для глазурных шихт, содержащих соединения тяжелых ме­таллов, например свинца, это условие не подходит. В таких случаях удельный вес шихты надо установить специально).

По приведенной ниже формуле находят вес сухого материала в шликере, выражая данные в процентах:

G1 = Gd / d1,

где G — вес шликера в объеме 100 см³,уменьшенный на 100; d—удельный вес сухого материала (2,50; 2,65 или другой); d₁— удельный вес сухого материала, уменьшенный на 1.

Коэффициент d/d₁— величина постоянная и при d=2,5 будет всегда равен 2,5/1,5 = 1,666; на него надо умножить G.Например, если 100 см³шликера весят 175,82 г,то, вычитая из этого числа циф­ру 100, получим 75,82, на которое надо умножить постоянный коэф­фициент 1,666:

75,82 * 1,666= 126,31 г(сухого вещества). Вычитая из веса шликера в объеме 100 см³вес сухого вещества,получим:

175,82 * 126,31=49,51г(воды),

или в процентах

126,31 * 100 / 175,82 = 71,8% (сухого вещества),

и по разности:

100 - 71,8 = 28,2% воды.

Если нужно определить вес сухого вещества во всей мешалке, то полученный вес сухого вещества для 100 см³шликера, т. е. 126,31 г,надо увеличить во столько раз, во сколько объем мешалки больше 100 см³.

Добавление органических веществ (например, таннина) позво­ляет снизить содержание щелочей, где они нежелательны.

Определение относительной вязкости шликера. Необходимая консистенция шликера может быть установлена визуальным спо­собом, т. е. зачерпыванием из хорошо размешанной смеси полной ложки шликера и выливанием струи с ее конца. Хороший шликер должен литься непрерывной густой струей.

При оценке шликера большое влияние на вязкость оказывает окружающая температура и ее возможные изменения. Для налив­ного способа, т. е. при отливке в основном толстостенных изделий, шликер должен быть более вязким (менее текучим), чем для слив­ного способа. Для точной характеристики качества шликера при­меняются приборы (вискозиметры), с помощью которых определяют относительную величину вязкости, т. е. число от деле­ния времени истечения шликера на время истечения такого же объема воды.

Наиболее распространен для указанных целей вискози­метр типа Энглера (рис. 99). В пространство между бач­ками заливают какую-угодно жидкость с температура на 2—3° выше 20° С; при последней температуре должно произойти испытание. Шликер предварительно пропускают через сито 144 отв/см². Во внутренний бачок вискозиметра заливают шликер так, чтобы он закрыл одновременно все три острия. Подставляя мерную колбу объемом 100 см³, открывают выпускное отверстие (ниппель), закры­тое пригнанной палочкой, и пускают секундомер. Как только шликер заполнит колбу до метки, тотчас закрывают выпускное отверстие вискозиметра той же палочкой и останавливают се­кундомер. Надо произвести три-четыре параллельных опыта ивзять среднее из полученных зна­чений.

Рис. 99. Вискозимер типа Энглера
1 - термометры, 2 - конический ниппель, dверх = 8 мм, dнижн = 6 мм

На рис. 100 показан получен­ный нами график текучести шли­кера, со­стоящей из 50% пулковской глины (кембрийской), 25% капсельного шамота и 25% мела. Мы видим, что при влажности шликера 40 % при добавке 0,4% жидкого стекла масса течет за 4 сек,а с таким же количеством соды текучесть ее хуже — 8 сек.

Рис. 100. График текучески массы №15 при 40% влажности
1 - процентное содержание соды, 2 - процентное содержание жидкого стекла.

О получении полусухих масс. Для изготовления архитектурной и строительной керамики очень часто используют массы с весьма малым содержанием воды — 8— 10 % и меньше; это так называемые полусухиемассы. Связ­ность этих масс и сохранение формы сырого изделия дости­гаются посредством высокого давления, создаваемого на прес­сах (см. рис. 162), а также добавками клеящих веществ.

О выцветах на глинистых массах. В процессе сушки сырого изделия содержащиеся во многих глинах (особенно гончарных, лег­коплавких) растворимые соли поднимаются на поверхность изделия и образуют белесые пятна — выцветы. Они портят внешний вид неглазурованного изделия, а при глазуровании создают ряд труд­ностей, так как являются весьма нежелательной прослойкой между глазурью и черепком.

Растворимые соли — это главным образом сульфаты щелочно­земельных металлов. При приготовлении масс их можно перевести в нерастворимое состояние, связывая ион SO4 ионом бария (Ва⁺⁺). Для этого, например, к ленинградским глинам достаточно добавить 0,7—1 % ВаС0₃к весу шихты, чтобы после сушки и обжига изделий выцветов не наблюдалось.

В последнее время найден заменитель реактивного ВаС0₃. Это баритовые отходы литопонного производства. Необходимое ко­личество заменителя следует увеличить в четыре раза, но, как по­казали опыты, его действие более эффективно, чем чистого углеки­слого бария.

Пред.