Основы производства керамических изделий

Изготовление керамических изделий. Процесс изготовления керамических изделий состоит из добычи сырья (глины), подготовки формовочной массы, формования, сушки и обжига. Подготовка формовочной массы заключается в дроблении, удалении вредных примесей, помоле, гомогенизации и, при необходимости, в сушке. Различают сухую подготовку (сырье размалывается и смешивается в сухом состоянии) и влажную (с добавлением воды).

По способу формования различают прессованные, литые и экструдированные (пластического формования), керамические изделия.

Прессованные изделия в зависимости от состава и влажности прессуемой массы тоже получают двумя способами — сухого и полусухого прессования. Прессованию полусухим способом чаще всего подвергают малопластичные порошкообразные смеси и составы (пресспорошки) с содержанием влаги 8... 12% и сухим - 2...8%. Такие смеси получают путем предварительного смешивания и размола исходных компонентов с последующим обезвоживанием. Затем на автоматических прессах под высоким давлением (15...40 МПа) из пресс-порошков формуют изделия и обжигают. При этом, как правило, из технологического процесса исключается сушка изделий, что ведет к ускорению производства, сокращению расхода топлива и удешевлению продукции.

При литьевом способе исходные компоненты предварительно измельчают (размалывают) и тщательно смешивают с большим количеством воды (40...60%) до получения однородной текучей массы (шликера). Такую смесь разливают по формам (под размер изделий), высушивают и обжигают. Шликерная масса используется как непосредственно для изготовления изделий (способ литья), так и для приготовления пресс-порошков и последующего формования из них изделий. Для этого шли- керную массу высушивают в башенных распылительных сушилках до влажности 5...7%.

При экструдировании влажность формуемой массы колеблется от 15 до 25%. Подготовленная тестообразная масса поступает в формующий пресс, чаще всего ленточный обычный или снабженный вакуум-камерой. Вакуум-камера способствует удалению воздуха из сырьевой смеси и сближению частиц, что повышает однородность и формуемость массы, а также плотность и прочность как сырцовых, так и готовых изделий. Изделия формуются выдавливанием массы через специальное отверстие экструдера при помощи матрицы-мундштука, которое обеспечивает изделиям форму, толщину и ширину. Далее происходит нарезка изделий по длине специальными ножами (тонкой проволокой). Экструзия позволяет получать изделия (плитки) сложной геометрической формы.

Сушка сырых керамических изделий является весьма ответственным этапом в технологическом процессе, так как трещины возникают в основном в процессе сушки изделий, а при обжиге лишь окончательно выявляются. Сушат отформованные изделия при температуре до 220 °С. Обычно достаточным является высушивание сырых изделий до остаточной влажности — 6...8%.

Обжиг (спекание) является важной и завершающей стадией технологического процесса керамических изделий. Суммарные затраты на обжиг достигают 40% себестоимости готовых изделий. Температура обжига составляет порядка 900... 1100 °С и более. Результатом процесса обжига является уплотнение обжигаемого материала и, как следствие, уменьшение его открытой пористости. При обжиге сырца образуется искусственный каменный материал (черепок), который в отличие от сырой керамической массы не размывается водой и обладает относительно высокой прочностью.

После обжига полученные керамические изделия медленно охлаждаются, так как при резком охлаждении возможно образование трещин.

Способы улучшения внешнего вида керамических изделий. Цвет черепка керамических изделий чаще всего определяется

составом исходного сырья и варьируется от светло-желтого до темно-красного с множеством промежуточных тонов. Кроме того, используя различные смеси глин, можно получить светло- и темно-серые вариации. При этом цвет неглазурованных плиток, как правило, практически однороден по всей толщине и не имеет декоративного рисунка, а различия в окраске достигаются добавлением красящих пигментов.

Для улучшения внешнего вида керамических изделий применяют механическую обработку лицевой поверхности, окрашивание, глазурование, ангобирование, сериографию, шелкографию и др.

Механическая обработка заключается в использовании специальных приспособлений, позволяющих получать рельефный рисунок в процессе или после формования изделий. \

Глазурование — нанесение на лицевую поверхность изделий тонкого блестящего стекловидного (эмалевидного) слоя толщиной 0,1...0,2 мм с последующим закреплением обжигом. По составу глазури представляют собой сложные смеси из легкоплавких соединений, пигментов и других компонентов (кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов, оксиды свинца или стронция, борная кислота, бура и др.). Их применяют в сыром виде или сплавленными в виде фритты. Исходные компоненты (составы) размалывают в порошок, разводят водой и в виде суспензии наносят на поверхность обожженных или необожженных изделий перед обжигом. Различают прозрачные и непрозрачные (глухие), глянцевые, матовые, белые, цветные, тугоплавкие, легкоплавкие и другие глазури.

Ангобирование — нанесение на лицевую поверхность изделий тонкого цветного слоя из беложгущихся или цветных глин толщиной 0,25...0,4 мм с последующим обжигом. В отличие от глазури ангоб не дает при обжиге расплава, т. е. не образует стекловидного слоя, и поэтому цветная поверхность получается матовой. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку. По ангобированной поверхности можно наносить также прозрачную глазурь. Такой способ был широко распространен еще в античном мире, а на Руси такое покрытие называлось победа.

Керамические краски представляют собой смесь окрашивающих (пигменты), стеклообразующих (флюсы) и оттеночных компонентов. В качестве флюсов используют фритты, глазури, полевые шпаты, в качестве оттеночных средств — прокаленный кварц, обожженный каолин, фарфоровый бой и некоторые оксиды (кремнезем, глинозем, оксид цинка). Для нанесения красок на изделие в порошок добавляют вязкую среду, представляющую собой масла или водорастворимые полимеры.

Для декорирования керамики применяют три типа керамических красок: подглазурные, надглазурные и внутриглазурные (межглазурные).

Подглазурные краски наносятся на сырое или предварительно обожженное изделие. Их цветовая палитра ограничена устойчивостью красок к действию высокой температуры и разной газовой среды.

Надглазурные краски наносят на глазурованное изделие, прошедшее второй обжиг. Для их закрепления на поверхности глазури проводят третий обжиг – декорирующий. Краски обладают широкой палитрой цветов, так как температура третьего обжига невысока относительно обжига подглазурных красок.

Внутриглазурные краски вплавляются в глазурь в процессе третьего обжига. Они отличаются высокими температурами третьего обжига и обладают повышенной стойкостью.

Декорирование керамических изделий, связанное с нанесением на них ангобов, глазурей и керамических красок, производят в основном автоматизированными полиграфическими способами (печать с металлической пластины, шелкография, декорирование штампом, декалькомания и др.), в отдельных случаях — живописными ручными.

Печать с металлической пластины (глубокая печать) осуществляется переносом рисунка, гравированного или травленного на стальной (медной) пластине или цилиндрическом валу на изделие. Рисунок заполняют краской, отпечатывают на эластичных штампах и производят печать на очищенную поверхность керамического изделия. Печать может также производиться непосредственно с металлических барабанов, на которые с помощью лазера нанесен рисунок.

Шелкография (от греч. serigrafia — шелк и изображение, а позднее от англ. — silk screen printing — печатание шелковым ситом) и сериография практически имеют общую технологическую базу по улучшению внешнего вида керамических изделий. При шелкографии рисунок наносится непосредственно на изделие с помощью сетчатых трафаретов, через которые продавливают краску. Трафареты делаются из специальной ткани с мелкими ячейками. Раньше для этих целей использовали шелк, сейчас — ткани из синтетического полиамидного волокна. Через один трафарет можно наносить лишь одну краску. Для многоцветной печати применяют два и более трафарета. В настоящее время сконструированы установки с автоматическим нанесением рисунка методом шелкографии со скоростью 120 плиток в минуту.

При декалькомании используется деколь — бумага с клеевой основой и рисунком, нанесенным керамическими красками. После нанесения деколи на поверхность керамического изделия и обильного смачивания водой клей растворяется, бумага удаляется, рисунок остается на поверхности изделия.

Для декорирования используют также аэрографию — напыление суспензии керамических красок на изделие, закрытое трафаретом. При нанесении разноцветных рисунков используют несколько трафаретов.

Методы декорирования керамики, особенно полиграфические, получили в последнее время весьма интенсивное развитие. Большую роль в этом процессе сыграло развитие компьютерных технологий и техники переноса изображения на поверхность изделия. Разработан также способ создания специальной текстуры на поверхности плиток, имитирующей не только на взгляд, но и на ощупь мрамор, металл, матовое стекло и даже грубую ткань и дерево.