Керамика и производство на керамични изделия

Производството на керамика като цяло и в частност на отделните керамични изделия е древен занаят и същевременно модерна индустрия, които са от изключително значение за човека. Още в праисторически времемена, първите човеци са изнамерили за изключително полезни съдовете от печена глина. Днес продуктите на керамичните производства намират приложения както в бита и ежедневието, така и в промишлената и научно-изследователската дейност.

Керамика и по-известни керамични продукти

Керамика на глинена основа

грънци, фаянс, порцелан

1. Тухли – плътни или кухи керамични блокове от печена глина, които се използват в строителството предимно при зидането на стени. Те са негорими, относително химически инертни, водоустойчиви и не се разяждат от биологически видове. Глината се изпича при 900-1000°С.
2. Керемиди – керамични плочи от печена глина, които се употребяват при изграждането на покривите. Те са негорими, относително химически инертни, водоустойчиви и не се разяждат от биологически видове. Глината се изпича при 900-1000°С.
3. Теракота – керамика и керамични изделия, които се изработват от финозърнеста червеникава глина и нямат глазура. Най-известният пример е теракотената армия в Китай. Глината се изпича при 900-1000°С.
4. Грънци – грънчарството е древна занаятчийска технология, която днес в западните общества се е запазила под формата на изкуство. Грънците са глинени съдове, които са намирали приложение в домакинството и в търговията със стоки като например вино, зърно и зехтин. Те са негорими керамични изделия, химически инертни, водонепропускливи, топлоустойчиви и не се разяждат от биологически видове.  Глината се изпича при 900-1000°С.
5. Фаянс – керамични изделия от глина, които са покрити с глазура. Най-често се използват в баните. Те са негорими, химически инертни, водоустойчиви и не се разяждат от биологически видове. Глината се изпича при 1100°С. Второто печене е при 900 градуса.
6. Майолика – вид глина, която се използва за изработката на декоративни керамични изделия. Покрива се с калаена глазура и се изпича при 900-1000°С. След декорациите се пече при температури от 600-700 градуса.
7. Порцелан – за разлика от изброените дотук, той е непорьозен керамичен материал. Глината се изпича при 920-950°С. Второто печене е при доста по-високи температури (около 1400 градуса). Намира широко приложение.

Изходни материали за керамични изделия на глинена основа

Суровините обикновено могат се класифицират в три гупи: пластични материали, непластични материали, топители и оцветители.

Пластични материали

грънчарско колело и традиционен начин за производството на глинени съдове

Глината е основният структурен материал, от който се изработват керамичните изделия. Тя представлява неорганична пластична материя, съдържаща силициев диоксид (SiO₂), диалуминиев триоксид (Al₂O₃) и вода. Тези съставки образуват минерала каолинит (Al₂O₃.2SiO₂.2H₂О), който отговаря за качеството пластичност на каолиновите глини. Пластичността се дължи на повърхностно адсорбираните органични вещества от кристалните му частици.

Освен него в състава на глините могат да бъдат открити още монтморилонит (Al₂O₃.4SiO₂.H₂О) и халоизит (Al₂O₃.2SiO₂.4H₂О). Като допълнителни глинени съставки се срещат варовика, железните оксиди, ортоклазът (KAlSi₃O₈) и т.н. Например червеният цвят на тухлите, керемидите и другите грънци е резултат от наличието на железни хидроксиди в глината.

При изпичането на каолина, в готовата керамика се образуват силициев и алуминиев оксиди. На тях се дължи огнеупорността на керамичните продукти. Благодарение на високото съдържание на монтморилонит, глината известна под названието хума абсорбира големи количества вода и увеличава обема си. Този вид глини се наричат бентонитови. Те често се и зползват в хранителната индустрия за избелване на масла.

Непластични материали

При изпичането на керамичните изделия от глина, те се втвърдяват и обезводняват. За разлика от производството на стъкло и стъклени изделия, глинените се формуват преди топлинната обработка. За това, за да се запази оптималната пластичност и да не се деформира изделието, към съответната керамика се добавят непластични материали. Към тях спадат варовикът, кварцовият пясък и коксът.

кристали мулит; лиценз на изображението CC BY-SA 3.0

Запазване и повишаване на огнеупорните качества на керамичните материали, в глината може да се прибави друга предварително изпечена огнеупорна глина наречена шамот. Тя е непластичен материал богат на оксиди, който се получава при изпичане на температури около 1300-1500°С. Шамот се използва като пълнеж и в огнеупорния бетон.

Силициевият диоксид и диалуминиевият триоксид реагират в резулта печенето на керамичните изделия и при температури около 900 градуса се получава съединението мулит. То също принадлежи към групата на силикатите и на практика няма постоянен състав (от 3Al₂O₃·2SiO₂ до 2Al₂O₃·SiO₂). Неговата температура на топене е приблизително 1770 градуса.

Топители

съвременна керамика с глазура и художествено оформление

Групата на топителите включва неорганични съединения като магнезиевия карбонат, калциевия карбонат, фелдшпатите и т.н. Тяхната роля е по-лесно да се образуват стопилки, които при кристализция оформят арматурния скелет на всяка керамика.

Оцветители

Оцветители могат да се добавят в самата глина под формата на метални йони. Много по-често обаче керамичните изделия се емайлират и оцветяват външно. Върху повърхността на продукта се нанася глазура често на силикатна основа. Тя има санитарно значение и освен това придава по-добър вид на изделията от керамика. Като част от глазурата могат да се пресъздадат множество художествени мотиви с естетическа цел.

Производство на порцелан

Изходната суровина за производството на порцелан в общия случай съдържа 50% бял каолин, 25% кварц и 25% ортоклаз (KAlSi₃O₈). Тя се смила в керамични топкови мелници до пълно хомогенизиране. Добавя се вода, докато се получи течлива каша, която се филтрира. После се сгъстява и омесва от машини във вакуум, за да се обезвъздуши глинената смес.

Формуване

Готовата пластична маса се формува по три метода – изливане в калъпи, пластично оформяне и пресоване. Изливането в калъпи е изключително подходящо за целите на масовото производство на керамика. В случая към глината се добавя малко вода богата на алкални соли. Получената полутечна каша се излива в специален калъп, който придава очакваната форма на изделието. То се суши, след което се пече.

формуване чрез пластично оформяне

Пластично оформяне се прилага на съдовете с кръгова форма и ос на централна симетрия. Глината се оформя като голям пластичен цилиндър от машина. После се нарязва на дискове с определена дебелина от специален нож. Глинените дискове се слагат в предварително изработени калъпи на автоматизирано грънчарско колело. Калъпът се завърта около специален механизиран инструмент, при което се формува керамичното изделие.

За пресоването се използва полусуха глина (съдържание на вод 5-6%) в ситносмляно гранулирано състояние. Отново се употребява калъп, но в този случай се прилага и голямо налягане. Обикновено чрез тази технология се изработват керамичните плочки.

Сушене и печене

Получените изделия след формуването се сушат. Сушенето се извършва бавно в специални сушилни. Изсушената продукция се отправя за изпичане в електрически или газови тунелни пещи. Първото печене се извършва при температури над 700 градуса, като за порцелана те биват в диапазона 930-950°С. Едно изпечено керамично изделие, заради изпаряването на водата, се свива и загубва близо 14% от размерите си.

Следва нанасянето на глазурата и повторно печене. То се осъществява при температури  между 1350 и 1450 градуса, като целта е съставките на глазурата да се стопят и да се свържат с повърхността на изпичаната керамика. Изделията изстиват бавно, след което се подлагат на художествено оформление. Най-висококачествените порцелани се декорират със специални бои предназначени за целта.