Porcelán (turecky farfur, fagfur, z perského fegfur) je druh keramiky, která je nepropustná pro vodu a plyn. V tenké vrstvě je porcelán průsvitný materiál. Při lehkém úderu dřevěnou tyčí vydává charakteristický vysoce čistý zvuk. V závislosti na tvaru a tloušťce produktu může být tón odlišný.
Porcelán je hlavním představitelem „jemné“ keramiky. Charakteristickými znaky porcelánu jsou bílá barva s namodralým nádechem, nízká poréznost a vysoká pevnost, tepelná a chemická odolnost a přirozená dekorativnost. Jeho vlastnosti jsou dány chemickým složením a strukturou střepu, které závisí na účelu výrobku, podmínkách jejich provozu a požadavcích na ně kladených.
Příprava surovin
Hlavními surovinami pro výrobu porcelánu jsou:
Abyste získali hotový výrobek, musíte nejprve vyrobit porcelánovou hmotu. Vyrábí se z jemných směsí kaolin (bílý jíl), křemen, živec a další hlinitokřemičitany. Porcelánová směs může obsahovat až 40 různých přísad. Složení keramické hmoty a způsob její přípravy se určuje na základě účelu výrobku, jeho tvaru a druhu suroviny.
Plastické hmoty (hlína, kaolin) se rozpouštějí ve vodě v lopatkových míchačkách. Vzniklá hmota ve formě suspenze prochází speciálním sítem a elektromagnetem, aby se odstranily velké vměstky a železité nečistoty. Křemen, živec, pegmatit a další komponenty se vypalují při teplotě 900-1000 °C. Kamenité materiály, včetně lámaného porcelánu, se perou, drtí a hrubě melou na běhounech a poté se prosévají. Jemné mletí se provádí v kulových mlýnech.
Všechny složky budoucí porcelánové hmoty se důkladně promíchají v míchačce vrtulového typu. Homogenní hmota prochází sítem a elektromagnetem a odvodňuje se ve speciálních kalolisech nebo vakuových filtrech. Výsledná plastická hmota s vlhkostí 23-25% se posílá do místnosti s vysokou vlhkostí na dva týdny, aby zestárla. Při stárnutí dochází k oxidačním a mikrobiologickým procesům, hydrolýze živce a vzniku kyseliny křemičité, která přispívá k kypření hmoty, další destrukci přirozené struktury materiálů a zvyšování plastických vlastností hmoty. Po stárnutí se hmota zpracovává na masových mlýncích a vakuových lisech k odstranění vzduchových vměstků a také ke zlepšení plasticity a dalších fyzikálních a mechanických vlastností nezbytných pro lisování výrobků.
Ve druhé polovině 1980. století byla poprvé v Rusku v Císařské továrně na porcelán (Lomonosov, Leningradská oblast) vyvinuta technologie a byla provedena průmyslová výroba výrobků z tenkostěnného kostěného porcelánu – zvýšená bělost, tenkost a průsvitnost. Do složení hmoty se přidávaly fosforečnany vápenaté, popel z kostí dobytka, proto se porcelánu říká kostní porcelán. Za vytvoření této technologie a průmyslovou výrobu produktů byla v roce XNUMX skupině rostlinných specialistů udělena Státní cena SSSR v oblasti vědy a techniky.
Podle složení porcelánové hmoty se porcelán dělí na měkký a tvrdý. Měkký porcelán se od tvrdého neliší tvrdostí, ale tím, že při vypalování měkkého porcelánu vzniká více tekuté fáze než při vypalování tvrdého porcelánu, a proto je při vypalování vyšší riziko deformace obrobku.
Tvrdý porcelán je bohatší na oxid hlinitý a chudší na tavidla. Pro získání požadované průsvitnosti a hustoty vyžaduje vyšší teplotu výpalu. Měkký porcelán je v chemickém složení rozmanitější. Měkký porcelán se používá především k výrobě uměleckých výrobků a tvrdý porcelán se obvykle používá v technice (elektrické izolátory) a při každodenním použití (nádobí).
Lisování produktu
Keramické výrobky se vyrábějí jednou ze tří metod:
- plastové výlisky
- ruční nebo strojní lití
- polosuché lisování.
Pro formování se používají sádrové formy s porézností minimálně 25 %. V poslední době se formy začaly vyrábět z hmot na bázi polyvinylchloridu.
Při lisování plastů se používá hmota s obsahem vlhkosti 22-24%, ze které se v závislosti na tvaru získávají polotovary ve formě vrstev. Pro lisování se používají poloautomatické nebo automatické stroje. Při výrobě plochých výrobků se pokládá hliněná vrstva, která se při otáčení formy vyrovnává válečkem. Pro získání dutých výrobků, jako jsou kelímky, se hmotový polotovar umístí do formy a vyválí se speciálním profilovým válcem. Mezera mezi válečkem a formou je vyplněna vrstvou hmoty požadované tloušťky. Vnější povrch výrobku je tvořen povrchem formy a vnitřní povrch je tvořen válečkem. Pokud je na vnitřním povrchu formy hloubkový vzor, pak je přesně reprodukován na vnějším povrchu výrobku.
Metodou lití do sádrových forem se vyrábí tvarově složité a kapacitní výrobky, jako jsou konvice a umělecké a dekorativní předměty. K výrobě produktů se složitými konfiguracemi se používají dělené formy. Pro formování metodou odlévání se připravuje krémová hmota – skluz s obsahem vlhkosti 34-36%. Pro zvýšení tekutosti při minimální vlhkosti se do skluzu přidává 0,1-0,2 % elektrolytu, který zajišťuje lepší plnění formy. Výrobky se vyrábějí dvěma způsoby: naléváním a naléváním.
Při drenážní metodě se skluz nalije do rozštípané sádrové formy a nechá se v ní po určitou dobu. Sádra rychle absorbuje vlhkost a na stěnách formy se ukládají pevné částice, které tvoří stěny výrobku. Doba výdrže se určuje experimentálně, závisí na tloušťce stěny výrobku, tloušťce stěn sádrové formy a pórovitosti. Po expozici se sliz odvodní a sádrová forma s produktem se podrobí pomalému sušení.
Pevné výrobky složitých tvarů, jako jsou úchyty na konvičky a poklice, se vyrábí metodou nalévání. Sliz se nalije do sádrové štípané formy s odpovídajícími prohlubněmi na vnitřních plochách, kde zcela vytvrdne.
Polosuché lisování se používá k formování plochých výrobků malé tloušťky, jako jsou desky. Připravená plastická hmota se vysuší na vlhkost 2-3 %, jemně rozdrtí a získá se prášek, do kterého se přidá změkčovadlo. Tento prášek se lisuje do produktu v kovových formách pod vysokým tlakem (25-30 MPa). Výrobky mají správný tvar, přesné rozměry, vyšší mechanickou pevnost a nízkou vlhkost, což výrazně zkracuje dobu schnutí před vypálením.
Sušící produkty
Po formování se produkt suší na zbytkovou vlhkost 2-4% v rámci přípravy na vypalování – konečná a nejkritičtější fáze výroby. Výrobek v tomto případě získá pevnost dostatečnou pro výpal a eliminuje se vznik vnitřních pnutí vedoucích k prasklinám, deformacím apod.
Sušení se provádí ve dvou fázích: předběžná fáze (sušení) – v sádrových formách a konečná fáze – bez forem. Ploché výrobky se suší pouze v sádrových formách. Těleso dutých výrobků se po předběžném vysušení na obsah vlhkosti 14 až 16 % vyjme z forem, spojí se s připojenými částmi směsí skluzu a dextrinu, načež se výrobky nakonec vysuší.
Během procesu sušení mohou vznikat trhliny (při nerovnoměrném obsahu vlhkosti hmoty), deformace a jiné vady.
Před vypálením se vysušené výrobky očistí brusným papírem, odstraní se švy z forem, cizí nečistoty a nečistoty. Po vyčištění se výrobky profouknou stlačeným vzduchem, aby se odstranil prach.
Vypalování porcelánu
Pevnosti porcelánu je dosaženo díky vysoké teplotě výpalu nejprve „zahřátého vodou“ – až 900 ° C po dobu 24 hodin a po glazování – „zalitého“, při teplotě 1380–1430 ° C až na dva a více dní. Porcelán se při vypalování smrští o 1/7, s čímž je třeba počítat při vytváření forem.
Pro výpal se používají průběžné pece – tunelové, dopravníkové s kráčející nístějí a válečkové štěrbinové pece, dále pece periodické – kovárny. Průběžné pece udržují přísnější teplotní režim a zkracují dobu výpalu.
V některých podnicích jsou keramické výrobky, včetně porcelánu, vystaveny jedinému vypalování bez kapslí. Současně se výrobní cyklus zkracuje na 3-5 hodin, výrazně se snižuje spotřeba paliva, zvyšuje se produktivita práce a snižují se náklady na hotové výrobky.
Jednotnému výpalu se podrobují převážně silnostěnné výrobky: hrnky, salátové mísy, máslové misky, cukřenky, které při glazování bez dalšího výpalu nenavlhnou, nedeformují se ani nezničí.
Během vypalování se mohou na výrobcích tvořit následující vady: deformace velikosti a tvaru, třísky, foukání, bubliny, ucpávání, nažloutlý odstín atd. Po vypálení jsou výrobky zkontrolovány, aby se zjistily závady. Výrobky, které splňují požadavky na ně, jsou zdobeny.
Dekorace porcelánových výrobků
Porcelánové výrobky se nejčastěji zdobí přeglazurovou a podglazurní malbou ručním, mechanizovaným a kombinovaným způsobem nanášení designu na porcelánový povrch. Podglazurní barvy se nanášejí na surový střep, jsou odolnější, protože. Jsou nahoře chráněny průhlednou glazurou, ale mají omezenou paletu. Overglaze barvy mají širokou paletu barev. Při vypalování mnoho keramických barev mění barvu, což poskytuje další umělecké možnosti při malování porcelánu.
Při zdobení výrobků se používá obtisk – obtisk natištěný keramickými inkousty na pogumovaný papír a svrchu potažený speciálním lakem. Při vypalování již ozdobeného výrobku se film vypálí a barvy se slijí s glazurou a zanechají na povrchu porcelánu vzor. Tato dekorační technika v kombinaci s ruční konečnou úpravou může výrazně zvýšit oběh produktu.
Ručně malované vysoce umělecké porcelánové výrobky byly vždy ceněny. Málokterá továrna se může „chlubit“ světově proslulou. Jednou z takových továren u nás je Imperial Porcelain Factory (IPZ), kde je řada výrobků zdobena ručně přírodním zlatem a rytinovým vzorem. Mnohé soupravy, vázy a téměř všechny sochy zvířat jsou zdobeny podglazurními barvami, hojně se používá kombinace bohatého podglazurního kobaltu se světlými přeglazurovými barvami a zlatem, která dodává zvláštní efekt a je charakteristickým znakem výrobků IFZ.
Kaolin je hydratovaný hlinitokřemičitan kaolinitu (jílu), ve formě bílého prášku s destičkovitými částicemi.
Název této látky pochází z názvu oblasti, ve které byla poprvé objevena (v Číně).
Kaolinové desky v přírodním prostředí vypadají jako „knihy“ nebo „hromady“. Částice této látky má jak povrch obsahující kyslík, tak povrch hydroxyl, takže se dobře váže na sousední částice. Proto je práce při štěpení kaolinových vrstev obtížnější než stejná práce u jiných plochých plniv obsahujících silikáty (slídu a mastek). Kaolin je vysoce rozpustný ve vodě a pro jeho bezvodé použití je spojení s matricí zlepšeno povrchovou úpravou.
Vzhledem k tomu, že kaolin je jemně disperzní materiál, je vrstvený a chemicky inertní, je vhodný jako funkční plnič barev. Kaolin má mírně kyselé nebo neutrální pH vodní disperze (deset procent) a je dodáván se specifikovanou distribucí velikosti částic.
Kaolin se používá v průmyslu při výrobě laků a barev jako plnivo (vymývá se od minerálních nečistot slída, chloritan, křemen). Tato hmota s plochou strukturou se v nátěrech používá spíše pro své vizuální než fyzikální vlastnosti, lze ji smáčet nepolárními organickými kapalnými látkami i obyčejnou vodou. Zpracování kaolinu na plnivo do barev a laků prochází následujícími fázemi: drcení, mletí, obohacování, třídění.
Toto plnivo je součástí mnoha průmyslových výrobků:
- tmel,
- plniče pórů, barvy na olejové a vodní bázi,
- ochranné vrstvy proti korozi (matné a polomatné).
Kaolinová ložiska
Kaolin se těží z několika ložisek, a to:
- v Ruské federaci jsou jejími ložisky pohoří Ural,
- těží se v zemích Společenství nezávislých států (Kazachstán, Ukrajina),
- těží se ve Velké Británii,
- v České republice
- Spojené státy americké (ve státě Georgia),
- v Číně.
Značky kaolinu
Stávající druhy kaolinu:
- Běžné druhy kaolinu jsou strukturálně nemodifikované a mohou zadržovat krystalizační vodu. Promývají se a vyrábějí se rozpuštěním jílu ve vodě a následným umístěním do odstředivky, aby se zbavily přebytečných složek a získaly se požadované rozložení velikosti částic. Po čištění se výsledná suspenze buď odvodní a vysuší, nebo se zahustí na suchou látku a získá se ve formě granulí. Takové druhy musí být ošetřeny, aby se zlepšila jejich bílá barva (vytvoření bílé barvy pomocí chemikálií, intenzivní separace k odstranění nečistot, které mohou způsobit zbarvení)
- Delaminovaný kaolin se vyrábí mletím hrubých frakcí, které vznikly po praní měkké hlíny. Poté je kaolin exfoliován do širokých tenkých plátů, což zlepšuje jeho jas, rozptyl světla a bariérové vlastnosti.
- Suché mleté kaoliny se oddělují vzduchem, aby se snížil počet přebytečných složek a aby se podle parametrů vymazávaly. Tyto třídy se však méně používají kvůli špatným barevným charakteristikám a výrazným abrazivním vlastnostem.
- Kalcinované kaoliny se vyrábějí tepelným zpracováním praného a běleného kaolinu. Kalcinací při nízkých teplotách se odstraňují hydroxidové struktury a vzniká amorfní metakaolin (se ztrátou vody). Současně se snižuje měrná hmotnost, zvyšuje se pevnost, zvyšuje se pórovitost a zvyšuje se rozptyl a jas světla. Stoprocentní kalcinovaný jíl vzniká zahřátím z tisíce stupňů Celsia na tisíc sto padesát stupňů Celsia. V případě potřeby lze rovnováhu rozptylu světla a jasu změnit teplotou, rychlostí ohřevu a toky použitými během kalcinace. Vzhledem k tomu, že kaolin značně ovlivňuje vzhledové vlastnosti nátěru, jsou kalcinované kaoliny zastoupeny v široké škále, což se o jiných funkčních silikátových plnivech říci nedá. Účelem kalcinovaných kaolinů je prezentovat veškerou jejich krystalinitu, strukturu, krycí schopnost a matovací vlastnosti, dále všechny parametry částic, veškerou světlost a všechny odstíny barev.
Existují také druhy kaolinu potažené dispergačními činidly pro zlepšení rozpustnosti ve vodě pro dobrou adhezi k organickým matricím.
Existují primární a sekundární (redeponované) kaoliny. Primární kaolin se získává zvětráváním žulových a břidlicových nebo jílových sedimentů (křemen). Takové kaoliny dobře vyjadřují strukturu horniny, ze které jsou vyrobeny. Sekundární kaolin (kaolinový jíl) je výsledkem přirozeného obohacení primárního kaolinu, jedná se o kaolinit, do kterého bylo přidáno malé množství křemene a dalších minerálů. Průmyslová výroba využívá především kaolinové koncentráty, které se získávají obohacováním přírodních, převážně primárních, kaolinů.
Tabulka 1. Druhy kaolinu a jejich vlastnosti.
| Druhy kaolinů | Vyprané | Delaminované | Kalcinováno | Suchá půda |
|---|---|---|---|---|
| Index lomu | 1,56 | 1,56 | 1,62 | 1,56 |
| Specifická hmotnost, g/cm 3 | 2,58 | 2,58 | 2,50-2,68 | 2,58 |
| Tvrdost | 2 | 2 | 3-4 | 2 |
| Jas GE | 80-92 | 86-92 | 84-97 | 65-75 |
| Průměrná velikost částic sedimentační metodou, mikrony | 0,2-4,8 | 0,4-10 | 0,8-2,9 | 0,3-4,8 |
| Kapacita oleje, g / 100 g | 30-45 | 40-45 | 50-95 | 30-40 |
| Specifický povrch, m2/g | 5-20 | 6-20 | 8-16 | 15-24 |
| pH, 10% rozptyl | 3,5-8,0 | 6,0-8,0 | 5,0-6,0 | 4,0-6,5 |
| Tvar částice | záznamy/knihy | záznamy | záznamy | záznamy/knihy |
Tabulka 2. Srovnání značek kaolinu.
| Jméno | JSC “Dniprokaolin” (Ukrajina) KVF-90-1 | Thiele Kaolin Co (USA) KAOCAL R | Dorfner GmbH (Německo) | CJSC “GEOKOM” MIKAO R | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DORKAFILL RH | DORKAFILL R 600 | 04-98 | 03-98 | 02-98 | |||
| Hmotnostní zlomek zbytku na sítu č. 0045, % | 0,01 | 0,00 | 0,02 | 0,00 | 0,01 | 0,00 | 0,00 |
| Střední průměr částic (Microsizer-201A), mikrony | |||||||
| průměr (D50) | 1,5 | 1,6 | 5,2 | 2,9 | 4 | 3 | 2 |
| maximálně (D98) | 12,1 | 8 | 26 | 18 | 22 | 17 | 10 |
| minimum (D10) | 0,6 | 0,5 | 2,0 | 1,0 | 1,1 | 1,0 | 0,7 |
| Posouzení barevných preferencí | |||||||
| bělost podle CIELAb (ISO 787/1, C/2°), % | 95,0 | 99 | 97,2 | 97,4 | 98,5 | 98,5 | 98,5 |
| jas podle DIN 53163 (Ry, C/2°), % | 93,9 | 99 | 96 | 96,5 | 99,3 | 99,3 | 99,3 |
| jas ISO 2470 (R457), % | 89,0 | 97 | 92 | 93 | 96,5 | 96,5 | 96,5 |
| bělost podle ISO 11475 (D65/10°), % | 92,5 | 85 | 86 | 92 | 92 | 92 | |
| žlutost podle ASTM D1925-70 (C/2°), % | 8,3 | 3,5 | 4,3 | 4,2 | 3,2 | 3,2 | 3,2 |
| Kapacita oleje dle ISO 787/5, g/100g | 45 | 62 | 56 | 61 | 38 | 41 | 52 |
Obohacený kaolin
Kaolin se obohacuje suchou a mokrou metodou. Proces tohoto obohacování se provádí v průmyslových podnicích vybudovaných v blízkosti míst těžby kaolinu. Tato látka po svém obohacení obsahuje sulfidy, okysličovadlo železa a okysličovadlo titanu (v závislosti na jakosti kaolinu) v množství od nula tři procenta do jednoho procenta. Tyto přísady v kaolinu snižují jeho bílou barvu a jeho odolnost proti ohni. Kaolin po obohacení neobsahuje písek ani jiné nečistoty rozpuštěné ve vodě ani slabou kyselinu.
Vlastnosti kaolinu
Kaolin si našel své místo v různých oblastech průmyslu, neboť má užitné vlastnosti, chemické i fyzikální: hydrofilnost, disperzibilita, požární odolnost, přítomnost dostatečného množství oxidu hlinitého, plasticita, chemická neaktivita, dobré dielektrické vlastnosti po výpalu, nízká hustota, žádné potíže s broušením, žádné abrazivní částice.
Aplikace kaolinu
Použití surového panenského a recyklovaného kaolinu je nezbytné pro vytvoření ohnivzdorných materiálů. Surovinou pro tvorbu jemných keramických výrobků, pro výrobu porcelánových a kameninových předmětů a také pro tvorbu bílého cementu je kaolin. Průmyslová chemie využívá kaolin k tvorbě síranu hlinitého, oxidu hlinitého, ultramarínového pigmentu, používá se jako nosič a plnivo pro pesticidy a hnojiva a také jako katalyzátor chemických reakcí. Kaolin se spotřebovává především na výrobu papíru, ve výrobě se používá jako plnivo pro výrobu potahovaných papírových výrobků. Kaolin je také potřebný jako plnivo pro výrobu pryže, plastu, lepidla, tmelu a parfémů. Dá se použít v lékařství (každý zná bílý jíl). Kaolin je také potřebný při výrobě barev a laků, protože jeho obsah vlhkosti je pouze jedno procento.
Receptury produktů z průmyslu laků a barev používají kaolin jako distributor oxidu titaničitého ve vodou ředitelných barvách pro architektonické aplikace. Kalcinované kaoliny demonstrují své hlavní vlastnosti: lesk, uvolňování oxidu titaničitého a krycí schopnost. Praný kaolin také do určité míry zlepšuje uvolňování oxidu titaničitého a lze jej použít ke změně stupně lesku (lesk je intenzivnější, pokud je velikost částic menší).
Průmysl laků a barev si kaolinu cení především pro jeho vizuální vlastnosti, ale používá ho také jako funkční plnivo. Kaoliny se používají ke zvýšení tekutosti, zlepšení nivelačních vlastností, pevnosti filmu, hladkosti filmu a odolnosti vůči povětrnostním vlivům. Protože jsou kalcinované kaoliny velmi tvrdé, zvyšují odolnost povlaků proti opotřebení.
Při optimalizaci složení barev pro zajištění lepšího poměru cena/výkon je důležitý výběr kaolinového inertního plniva.
Výběr takového plniva závisí na typu povlaku:
