Подбор глазури для керамической массы с учетом вязкости расплава при обжиге Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Подбор глазури для керамической массы с учетом вязкости расплава при обжиге

Ревенок Татьяна Валентиновна

кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры Технологии вяжущих веществ и бетонов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, trevenok@gmail.com

Соловьева Екатерина Сергеевна

студент, кафедра технологии вяжущих веществ и бетонов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, ka-tya79687363557@mail.ru

Изучено влияние вязкости глазурного расплава при обжиге на качество покрытий керамики на основе массы МКФ-2. При близких значениях температурного коэффициента линейного расширения глазури и керамического черепка образование дефектов в глазурном покрытии в значительной степени зависит от вязкости расплава глазури при температуре обжига. Повышение вязкости расплава глазури влечет за собой интенсификацию процессов образования дефектов в виде пузырения, трещинообразования и отслаивания глазури.

Со временем развитие в промежуточном слое крупных кристаллов, величина коэффициента термического расширения которых значительно превышает соответствующую величину для глазури, оказывает влияние на характер связи с керамическим материалом. Поэтому несоответствие величин температурного коэффициента линейного расширения при удовлетворительном качестве покрытия после обжига, со временем может приводить к образованию дефектов глазурного покрытия в виде трещин, что требует проведения последующего периодического контроля поверхности изделия.

Для получения керамических изделий с плавным переходом цвета при использовании нескольких ангобов необходимо учитывать величину вязкости расплава глазури и использовать материалы с более высокой вязкостью. При декорировании изделий одноцветным ангобом наилучшие результаты достигаются для глазурей с низкой вязкостью расплава. Ключевые слова: керамические материалы, глазурное покрытие, вязкость расплава глазури, температурный коэффициент линейного расширения

В последнее время в связи с развитием декоративной керамики возникают новые техники декорирования, разрабатываются новые составы керамических масс, глазурей и ангобов. Особое внимание в процессе изготовления декоративной керамики уделяется задаче обеспечения совместимости керамического черепка и наносимых на него декоративных покрытий [1-2].

Глазури представляют собой стеклообразные покрытия, образующиеся на поверхности черепка в результате нанесения суспензии из шихты, плавящейся при обжиге полуфабриката. Однако, глазури отличаются от стекол прежде всего степенью гетерогенности. Помимо газовых пузырьков , тонкий глазурный слой содержит значительные количества растворившихся в нем компонентов керамической основы , а также непрореагировавшие зерна кварца и других компонентов, входящих в состав керамического материала.

Составы и свойства глазурей существенно различаются в зависимости от вида керамических изделий и типа керамических масс в широком диапазоне [3]. Физические свойства глазурей зависят от их химического состава, наличия кристаллических и газовых включений и физико-химических процессов, протекающих при температурной обработке глазурей. При подборе состава глазурей для керамического изделия с учетом процессов, происходящих при образовании глазурного покрытия, прежде всего, учитывают величину температурного коэффициента линейного расширения, вязкость покрытия в расплавленном и размягченном состоянии [4]. Для проведения исследований по совместимости глазурных покрытий и керамического черепка были изготовлены декоративные изделия на основе керамической массы МКФ-2. По данным производителя масса МКФ-2 обладает хорошими формующими свойствами с температурой обжига 1000-1150 оС (рекомендованная производителем температура обжига составляет 1050-1080оС).

Для декорирования изделий были использованы ангобы S-0620 и ряд подходящих с учетом

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю 4

М О

О)

о

см

О!

О Ш

т

X

3

<

т о х

X

температурного коэффициента линейного расширения глазурей 8-0119, 8-0104, 8-0106, 80102 и 8-0128.

Для прогнозирования прочности сцепления глазури с керамическим черепком принято сопоставлять величины температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) глазури и черепка. К наиболее простым и точным методам расчета ТКЛР относится метод А.А. Аппена, который подразумевает расчет свойств глазурей и глазурных фритт по правилу аддитивности. Расчетные факторы, предложенные А.А. Аппеном. представляют собой наиболее обоснованные расчетно-обоснованные экспериментальные данные. Пределы приложимости метода охватывают почти все используемые на практике стекла, глазури и эмали [5-6].

По методу А.А. Аппена на основании химического состава, приведенного производителем, был рассчитан температурный коэффициент линейного расширения черепа, который составил 4,86 10-6 оС-1. Физико-химические характеристики материалов, использованных при изготовлении изделий приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики материалов, использованных при изготов-

№ Материал Потечно сть глазури ТКЛР, 1/°С Интервал обжига, °С Рекомендуемый интервал обжига, °С

1050°С 1200°С

1. Череп - - 4,86-10-6 1000-1150

2. 8-0119 4 4 5,54-10-6 950-1200 1000-1200

3. 8-0104 2 5 5,56-10-6 950-1200 1000-1100

4. 8-0106 1 4 5,2510-6 970-1100 970-1200

5. 8-0102 3 6 6,53-10-6 950-1200 950-1230

6. 8-0128 2 4 6,46-10-6 1180-1250 1050-1180

В процессе изготовления керамических изделий были опробованы несколько способов нанесения и обжига глазурей. Первоначально был производен однократный обжиг изделий с использованием глазурей 8-0119 и 8-0128. В соответствии с принятой технологией на отформованное и подсушенное изделие наносился ангоб и далее слой глазури. Обжиг проводился при температурах 1150 оС для глазури 8-0128 и 1050 оС для глазури 8-0119. В обоих случаях на обожженных изделиях наблюдалось отслаивание глазури, пузырение и присутствовал цек. Наиболее интенсивное отслаивание глазури проявилось на образцах 8-0128.

Образование подобных дефектов можно объяснить разложением органики и карбонатов, содержащихся в массе. При однократном обжиге изделия газы, образовавшиеся в керамической массе, не успевают улетучиться, что способствует образованию дефектов в глазури [7]. Для получения более качественных покрытий предпочтительнее проведение двукратного обжига. В процессе первого обжига улетучивается значительная часть газов, образовавшихся при

разложении компонентов керамической массы, в результате чего значительно улучшается качество глазурного покрытия.

С этой целью был проведен двукратный обжиг с использованием рекомендованных производителем глазурей 8-0119, 8-0104, 8-0106, 80102 и 8-0128. Значения величин температурных коэффициентов линейного расширения керамического черепка и глазурей достаточно близки, что повышает вероятность получения качественных покрытий.

Результаты исследований приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты обжига изделий на основе керамической мас-

№ Глазурь Количество обжигов ТКЛР, 1/°С Температура обжига, °С Результаты обжига

1. 8-0128 Однократный обжиг 6,4610-6 1150 Насыщенный цвет, интенсивное отслоение глазури

2. 8-0119 Однократный обжиг 5,5410-6 1050 Трещины, пузырение, отслоение глазури

3. 8-0119 Двукратный обжиг 5,5410-6 1050 Насыщенный цвет, глазурное покрытие хорошего качества

4. 8-0102 Двукратный обжиг 6,5310-6 1050 Высокий блеск, незначительное пузырение, небольшое количество трещин.

5. 8-0104 Двукратный обжиг 5,5610-6 1050 Зеркальный блеск, наличие незначительного количества трещин и пузырей

6. 8-0106 Двукратный обжиг 5,2510-6 1050 Хорошая прозрачность, высокий блеск, интенсивное отслоение глазури.

7. 8-0128 Двукратный обжиг 6,4610-6 1050 Насыщенный цвет, хорошее качество глазурного покрытия. Присутствует растекание ангоба, нет плавного перехода цвета

Полученные результаты показали хорошее качество изделий с глазурями 8-0119 и 8-0128 и удовлетворительное качество глазурных покрытий 8-0104, 8-0102. На покрытиях с глазурью 80106 присутствовали дефекты в виде интенсивного отслоения глазури.

Необходимо отметить, что для прогнозирования качества глазурного покрытия помимо принятого сопоставления величин ТКЛР керамического черепка и глазури важно учитывать вязкость расплава глазурного покрытия при температуре обжига. Вязкость глазурей изменяется в широких пределах и является функцией температуры и химического состава. Чем выше вязкость глазури, тем большее препятствие необходимо преодолеть выделившимся газовым включениям, что способствует образованию дефектов в глазурном покрытии. Более подвижные глазури способствуют легкому выделению газов, что уменьшает эффект образования дефектов в виде пузырей. Снижение вязкости рас-

плава способствует лучшему распределению и сцеплению глазурного покрытия с поверхностью. Вязкость расплава находится в обратно-пропорциональной зависимости с величиной потечности глазури.

Так для глазури S-0119 с близкой к черепку величиной термического коэффициента линейного расширения и низкой вязкостью глазури (потечность - 4) было получено наилучшее по качеству покрытие.

С повышением вязкости глазури на образцах, с близкой величиной ТКЛР глазури и керамического материала наблюдалось интенсификация процессов пузырения и трещинообразования. Так для глазурей S-0104 и S-0106 с качество глазурного покрытия различалось в зависимости от вязкости расплава глазури от удовлетворительного с незначительным трещинообразова-нием и пузырением для глазури S-0104 ( потеч-ность - 2), до интенсивного отслоения глазурного покрытия S-0106 ( потечность - 1). Образование подобных дефектов можно объяснить неудовлетворительным растеканием глазури 50106 по поверхности керамического черепка из-за высокой вязкости расплава и связанным с этим ухудшением степени сцепления ее с поверхностью.

То же время для образцов с глазурями 50102 и £5-01^8 с величиной ТЛКР (6,5810-6 оС-1 и 6,4610-6 оС-1 ) значительно отличающихся от ТКЛР керамического черепка (4,8510-6 оС-1 ) были получены покрытия хорошего качества.

На изделии с глазурью 5-0128 наблюдалось незначительное количество дефектов глазурного покрытия, несмотря на различие температурных коэффициентов линейного расширения (4,8510-6 оС-1 и 6,4610-6 оС-1 ). Глазурь 5-0128 имеет интервал обжига 1180-1250 оС, в то же время, производитель допускает использование этой глазури при более низких температурах. Рекомендованный интервал обжига от глазури 5-0119 составляет 1000-1200 оС. Процесс взаимодействия глазури и керамического материала можно рассматривать как растворение кристаллической фазы в жидком глазурном расплаве. Вязкость глазурного расплава глазури 5-0128 при температуре обжига 1050 оС значительно выше вязкости глазури 5-0119. При низкой вязкости глазури может наблюдаться растекание ангоба под глазурью, что приводит к нарушению цветовых границ необходимых для точного соответствия изготавливаемого изделия первоначально заданному эскизу. В то же время вязкое глазурное покрытие, образовавшееся в ходе раннего плавления глазури, препятствует процессу растекания ангоба.

При необходимости использования нескольких ангобов с эффектом перехода цвета рекомендуется использовать глазурь 5-0128 с по-

вышенной вязкостью. В этом случае удается получить глазурное покрытие удовлетворительного качества, поскольку не происходит растекания ангобов и последующего размытия цвета. Для глазури 5-0119 с пониженной вязкостью лучшие результаты достигаются при декорировании одноцветным ангобом и на ангобирован-ной поверхности без эффекта перехода цвета.

Наблюдение за образцами с нанесенными глазурями в течение 2-х месяцев обнаружило, что на образцах с глазурью 5-0102 проявились волосные трещины, так называемый «отложенный цек». Со временем может происходить рекристаллизация и развитие в промежуточном слое крупных кристаллов, величина ТКЛР которых значительно превышает величину ТКЛР глазури, что будет приводить к образованию цека и отслаиванию глазури. Таким образом значительное развитие кристаллической фазы в промежуточной зоне может влиять на характер связи глазури с керамическим материалом. Поэтому некоторое несоответствие величин ТКЛР керамического черепка (4,8510-6 оС-1 ), глазурей 5-0102 (6,58 10-6 оС-1 ) и 5-0128 (6,46 10-6 оС-1 ) при удовлетворительном качестве покрытия после обжига, со временем может приводить к образованию «отложенного цека», в связи с чем, необходимо проводить последующий периодический контроль поверхности изделия.

Таким образом, можно отметить, что при соответствии ТКЛР глазури и керамического черепка, образование дефектов глазурного покрытия в значительной степени зависит от вязкости расплава при температуре обжига. Повышение вязкости расплава влечет за собой интенсификацию процесса образования дефектов в виде пузырения, трещинообразования, цека и отслаивания глазурного покрытия.

Для получения изделий с плавным переходом цвета при использовании нескольких ангобов необходимо учитывать величину вязкости расплава глазури во избежание размытия цвета и нарушения цветовых границ, необходимых для точного соответствия изделия заданному эскизу.

Литература

1. Левицкий И.А., Дятлова Е.М., Колонтаева Т.В., Шелихина В.М. Особенности формирования контактной зоны в системе глазурь-керамика /И.А. Левицкий И.А., Е.М. Дятлова, Т.В. Колонтаева, В.М. Шелихина //Стекло и керамика.- 2000.- № 1.- С. 17-21.

2. Салахов А.М., Морозов В.П., Гумаров А.И., Арискина К.А., Валимухаметова А.Р., Лис О.Н., Пасынков М.В. Опыт поверхностной обработки керамических материалов строительного назначения // А.М. Салахов, В.П. Морозов, А.И. Гумаров , К.А. Арискина, А.Р. Валимухаметова, О.Н.

х х О го А С.

X

го т

о

ю 4

М О

О)

о

сч

OI

Лис, М.В. Пасынков //Строительные материалы.-2017.- № 4.- С. 42-46.

3. Родионова М.С., Кирсанова С.В. Цветные легкоплавкие глазури с декоративными эффектами / М.С. Родионова М.С., С.В. Кирсанова // Успехи в химии и химической технологии. -2011. -Т. 25. -№ 6 (122).- С. 49-53.

4. Надточий Л.А., Лепешкин А.И., Дудник Е.Д. Влияние температурного режима на вязкостные свойства глазури / Л.А. Надточий, А.И. Лепешкин, Е.Д. Дудник // Вестник Камчатского государственного технического университета -2018. -№45.-С.43-49.

5. Андреев Д.В., Захаров А.И. Комплексный метод исследования и прогнозирования деформации керамических изделий при обжиге / Д.В. Андреев, А.И. Захаров// Новые огнеупоры. -2013. - № 9. - С. 41-51.

6. Спирина О.В., Ремизникова В.И. Подбор глазурей для керамических масс с учетом согласования их коэффициентов термического расширения / О.В. Спирина, В.И. Ремизникова //Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета.- 2006. -№ 1 (5).- С. 45-49.

7. Павлюкевич Ю.Г., Мачучко С.К. Стекловидные покрытия для производства облицовочной плитки однократным обжигом / Ю.Г. Павлю-кевич, С.К. Мачучко // Стекло и керамика.- 2013.-№ 12.- С. 13-16.

О ш m х

Selection of glazes for ceramic mass considering the melt viscosity during burning

Revenok T.V., Soloviova E.S.

National Research Moscow State University of Civil Engineer

The effect of the glaze melt viscosity during firing on the ceramic coating quality based on the MKF-2 mass was studied. At close values of temperature liner expansion coefficients of glaze and ceramic skull formation of glaze defects coating is largely depends on the glaze melt viscosity at the burning temperature. Increasing the melt glaze viscosity contributes to the defect formation in the form of bubbling, cracking and peeling glaze.

Over time, the development in the intermediate layer of large crystals, the value of the temperature liner expansion coefficients which significantly exceeds the corresponding value for the glaze, has an impact on the connection nature with the ceramic material.

Therefore, the discrepancy between the temperature liner expansion coefficient values at a satisfactory coating quality after burning, over time, can lead to the defect formation in the glaze coating in the form of cracks, which requires the subsequent periodic product surface control.

To obtain ceramic products with a smooth color transition when using several engobs, it is necessary to consider the glaze melt viscosity and use materials with higher viscosity.

When decorating products with a single-color engobe, the best results are achieved for low viscosity glazes.

Key words: Ceramic materials, glaze coating, glaze melt viscosity, temperature liner expansion coefficient

References

1. Levitsky, IA, Dyatlova, EM, Kolontaeva, TV, Shelikhina, V.M.

Features of the formation of the contact zone in the system of glaze-ceramics

/ I .A. Levitsky, IA, E.M. Dyatlova, T.V. Kolontaeva, V.M. Shelikhin // Glass and ceramics .- 2000.- № 1.- p. 17-21.

2. Salakhov A.M., Morozov V.P., Gumarov A.I., Ariskina K.A.,

Valimukhametova A.R., Lis O.N., Pasynkov M.V. Experience in surface treatment of ceramic materials for construction purposes //

A.M. Salakhov, V.P. Morozov, A.I. Gumarov, K.A. Ariskina, A.R. Valimukhametova, ON Fox, M.V. Pasynkov // Construction materials .- 2017.- № 4.- p. 42-46.

3. Rodionova MS, Kirsanova S.V. Colored fusible glaze with decorative effects / MS. Rodionova MS, S.V. Kirsanova //

Advances in chemistry and chemical technology. -2011. -T. 25. -№ 6 (122) .- p. 49-53.

4. Nadtochy LA, Lepeshkin A.I., Dudnik E.D. The effect of temperature on the viscosity properties of the glaze / L.A. Nadtochy, A.I. Lepeshkin, E.D. Dudnik // Bulletin of Kamchatka State Technical University -2018. -№45.-C.43-49.

5. Andreev D.V., Zakharov A.I. Complex method of research and

prediction of ceramic deformation during firing /

D.V. Andreev, A.I. Zakharov // New refractories. -2013. - № 9. -P. 41-51.

6. Spirina OV, Remiznikova V.I. Selection of glazes for ceramic

masses, taking into account the coordination of their coefficients of thermal expansion / O.V. Spirina, V.I. Remiznikova // Proceedings of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering .- 2006. -№ 1 (5) .- p. 4549.

7. Pavlyukevich Yu.G., Machuchko S.K. Vitreous coatings for the

production of single-fired tiles /

SOUTH. Pavlyukevich, S.K. Machuchko // Glass and ceramics .2013.- № 12.- P. 13-16.

3

<

m о x

X