8. VIENKĀRŠO MATERIĀLU VEIDI. KERAMIKA. STIKLS. CEMENTS. 8/8_Keramika_stikls.pdf · Viens no masveidīgākiem keramikas veidiem ir rupjā keramika, kuru veido praktiski tikai no

1

Tēma 8

8. VIENKĀRŠO MATERIĀLU VEIDI.

KERAMIKA. STIKLS. CEMENTS.

8.1. IEVADS Keramiskie materiāli (gr. keramikos: podnieka māksla, apdedzināta viela; gr. keramos:

māls) ir kompleksi metālisko un nemetālisko elementu (Al, Si, Ca, Mg, Ti, Ba, skābekļa

u.c.) savienojumi un savstarpēji šķīdumi. Minētos elementus savā starpā saista gan

kovalentās saites, gan jauktas dabas kovalentās - jonu saites. Keramisko materiālu mikrostruktūra var būt gan kristāliska (visbiežāk – sīkkristāliska),

gan amorfa. Keramiskos materiālus ar amorfu struktūru sauc par stiklveida materiāliem,

stikliem. Keramisko materiālu struktūra var būt arī jaukta: līdzās kristāliskiem struktūras

apgabaliem saturēt arī stiklveida fāzi.

Keramiskie materiāli pārsvarā ir cieti, trausli, mehāniski izturīgi materiāli ar augstu

kušanas temperatūru. Pārsvarā tiem ir zema elektrovadītspēja un slikta siltuma vadāmība,

liela ķīmiskā un termiskā izturība. Keramiskiem materiāliem ir liela spiedes izturība un liela

elastības moduļa vērtība.

8.2. KERAMISKO MATERIĀLU SRUKTŪRAS RAKSTUROJUMS

Keramisko materiālu kristālisko veidojumu daudzveidība ir ļoti liela.

Keramisko materiālu lielāko daļu veido materiāli, kuru sastāvā ir tādi elementi kā Si, Al,

Ca, Mg, u.c., kas saistīti ar skābekli. Kā piemērs 8.1. att. sniegts divu dažos keramiskos

materiālos ietilpstošo savienojumu (SiO2 un Al2O3) kristālu struktūras.

Rīgas Tehniskā universitāte POLIMĒRMATERIĀLU INSTITŪTS

2

Keramisko materiālu kristāliskie veidojumi (graudi) visbiežāk ir nelieli (8.2.att):

Stiklveida keramisko materiālu struktūras ir nesakārtotas – amorfas.

Stiklveida keramisko materiālu struktūru visbiežāk veido SiO2 motīvs. Tajos ikkatrs Si

atoms ir saistīts ar četriem O atomiem, veidojot stabilu tetraedru (8.3. att.).

8.1. att. Kristobalita (SiO2) I un korunda (Al2O3) II kristāliskās struktūras

8.2. att. Keramiskā materiāla (porcelāna) struktūras mikrofotogrāfija

Si Al O

I II


20 μm

3

Šādi tetraedri savstarpēji saistoties (katrs O atoms saistās ar diviem Si atomiem) veido

trīsdimensiju tīklveida struktūru. Silicijs šajās struktūrās atrodas katjona Si4+ formā,

8.3. att. SiO2 struktūra. Si-O tetraedrs (a- trīsdimensiju, b – divdimensiju attēls; saite c). Kristāliska I un amorfa II SiO2 tīklveida struktūras divdimensiju attēls.

O2-

Si4+

a b

I

II

c


4

skābeklis anjona O2- formā un veido galvenokārt jonu saiti. Vienlaicīgi var veidoties arī

kovalentā Si-O saite.

Kvarca (tīrs SiO2) kausējumam dziestot šaurā temperatūras intervālā (≈ 1700OC) tas

sacietē kristalizējoties – izveidojas trīsdimensiju tāls sakārtojums (8.3.att., I). Tas notiek

vielai strauji zaudējot diskrēto brīvo tilpumu Vbd (8.4. att.).

Šādas struktūras SiO2 ir vairākas negatīvas īpašības. Tas ir ļoti trausls (uz sīkkristālisko

veidojumu robežvirsmas koncentrējas kristalizācijas tilpuma maiņas izsauktie spriegumi,

kas vājina materiālu) un necaurspīdīgs (kristāliskie veidojumi izkliedē gaismu).

Minēto trūkumu nav amorfas struktūras, stiklveida SiO2 (8.3.att., II). Tas nozīmē, ka lai

nodrošinātu stiklveida struktūras veidošanās kristalizācija ir jārobežo.

Tkrist

vnb

vdb

v

T

vm

d

c

b

a

kristalizācija: (abcd)

amorfs kausējums kristālisks ciets SiO2

8.4. att. SiO2 kristalizācijas procesa shematisks attēlojums koordinātēs īpatnējais tilpums (v) - temperatūra (T); Tkrist – kristalizācijas temperatūra


5

Vielas kristalizācijas ātrums ir lielā mērā atkarīgs no temperatūras (8.5. att.)

Tā maksimālā vērtība atrodas temperatūrā starp kristalizācijas Tkrist un stiklošanās

temperatūru Tstikl. Ja kausējumu dzesē pietiekami ātri, īsā laikā izejot cauri temperatūras

intervālam Tkrist - Tstikl, kristalizācija nepagūst notikt un materiāls sacietē, saglabājot amorfu

struktūru – stiklojas (8.6. att.).

Lai efektīvi samazinātu kausējuma spēju kristalizēties un vienlaicīgi pazeminātu tā

kušanas temperatūru un samazinātu nepieciešamību kausējumu strauji dzesēt, veido SiO2

sakausējumus ar citu elementu oksīdiem (Na2O, CaO u.c.). To klātbūtnē trīsdimensiju SiO2

tīkls tiek pārtraukts un izveidojas vēlamā amorfā (nesakārtotā) stikla struktūra. (8.7. att.).

Tstikl Tkrist T

w

8.5. att. Kristalizācijas ātruma w atkarība no temperatūras


6

Kā jau minējām, keramikas materiāli, salīdzinot ar daudziem citiem materiāliem, ir ļoti

trausli. To stiepes pagarinājums trūkšanas brīdī nepārsniedz 0,1 %. Tāpēc šo materiālu

stiepes izturības pārbaude ir grūti veicama. Visbiežāk nosaka spiedes un lieces stiprības

rādītājus.

Dažādu keramikas un stikla materiālu stiprības rādītāji atšķiras. Lieces izturība atrodas

robežās 100 – 700 MPa, elastības modulis: 70 – 300 GPa robežās.

v

Tstikl Tkrist T

vm

f e

d

c

b

a

Tx

stiklošanās (abef)

amorfs kausējums amorfs ciets SiO2

vnb

vdb

8.6. att. SiO2 stiklošanas procesa shematisks attēlojums koordinātēs īpatnējais tilpums (v) - temperatūra (T); Tstikl – stiklošanās temperatūra.


7

8.3. KERAMISKO MATERIĀLU IZEJVIELAS Keramisko materiālu veidi parādīti shēmā (8.8. att.).

Māla keramikas galvenā izejviela ir māli. Māli ir alumosilikāti, kura sastāvā ietilpst

alumīnija oksīds (Al2O3) un silicija oksīds (SiO2), kā arī citu elementu piemaisījumi (Ba, Ca,

Na, K, Fe). Lielākās daļas mālu pamatsastāvdaļa ir kaolinīts: kristālisks alumosilikāts, kas

satur kristalizācijas ūdeni: Al2O3 2SiO2 2H2O.

Svarīga kaolinīta īpatnība ir tā slāņainā struktūra (8.9. att.). Tāpēc māla daļiņām ir

plākšņveida forma. (8.10. att.).

O2-Na+ Si 4+

8.7. att. Modificētas amorfas SiO2 struktūras divdimensiju attēls.

8.8. att. Keramisko materiālu iedalījums.

KERAMISKIE MATERIĀLI

STIKLS MĀLA KERAMIKA

UGUNSIZTURĪGĀ KERAMIKA

CEMENTS


8

Svarīga kaolinīta īpatnība ir tā slāņainā struktūra (8.9. att.). Tāpēc māla daļiņām ir

plākšņveida forma. (8.10. att.).

Sajaucot mālus ar ūdeni, ūdens aizpilda spraugas starp plakanajām māla daļiņām.

Rezultātā iegūst ideāli plastisku masu, jo māla daļiņas viegli slīd viena gar otru pa

izveidojušos ūdens slāni. Šo mālu-ūdens maisījuma plastiskumu izmanto keramikas

izstrādājumu izgatavošanai.

O

OH

Al, Fe, Mg, Li

Li, Na, Rb, Cs

Si

8.9. att. Kaolinīta struktūra.

8.10. att. Māla daļiņu mikrofoto

500 nm


9

Viens no masveidīgākiem keramikas veidiem ir rupjā keramika, kuru veido praktiski tikai

no māliem. Lielākā daļu mālu kā piemaisījumus satur dzelzi, kas tos un līdz ar to arī

izstrādājumus iekrāso brūnā krāsā.

Smalkā keramika – porcelāns un fajanss tiek veidota no smalki samaltu kaolīna

(minerāla, kurš sastāv praktiski no tīra kaolinīta), tīru kvarca smilšu (SiO2) un laukšpata

(minerālu grupa – (K,Na)2 Al2O3 6SiO2) maisījuma.

Minēto sastāvdaļas tiek ņemtas noteiktās attiecībās, lai nodrošinātu vēlamo ķīmisko

sastāvu.

Porcelānam tas ir: 0,6 – 0,7 (K2O, Na2O, CaO, MgO), 3 – 5 Al2O3, 15 – 21 SiO2

fajansam - 0,2 – 0,5 (K2O, Na2O, CaO, MgO), 9 -11 Al2O3, 47 - 51 SiO2

Ugunsizturīgo keramiku veido no grūti kūstošiem oksīdiem SiO2, Al2O3, MgO, ZrO2

u.c.

Stiklu iegūšanai izmanto vairākus ingredientus, no kuriem svarīgākā ir kvarca smilts

(SiO2). Pārējās komponentes ir soda (Na2CO3), kalcija karbonāts (CaCO3), kaolīns, dolomīts

(CaMg(CO3)2) u.c.

Stiklu ķīmiskais sastāvs atšķiras (8.1. tab.).

Termiski izturīgo stiklu sastāvā dominē grūti kūstošais SiO2

8.1. tabula

Dažu stiklu ķīmiskais sastāvs

Sastāvs, % Stikla veids

SiO2 Na2O CaO Al2O3 B2O3 citi

Īpašības

Kausētais kvarcs >99,5 - - - - - termiski izturīgs

SiO2 stikls 96 - - - 4 - termiski izturīgs

Borsilikātu stikls 81 3,5 2,5 13 termiski izturīgs

Nātrija stikls 74 15 5 - - MgO - 4 zema kušanas temperatūra, viegli formējams

Šķiedru stikls 55 - 16 15 10 MgO - 4 viegli izvelkams

Optiskais stikls 54 1 - - - PbO – 37

K2O -8

Liels gaismas laušanas koeficientd


10

Īpašu vietu keramikas materiālu vidū ieņem cementi. Tie ir noteikta sastāva materiāli,

kuru pulveri pēc to sajaukšanas ar ūdeni veido viegli formējamas pastas, kas laika gaitā

sacietē.

Viens no svarīgākiem šo materiālu pārstāvjiem ir portlandcements. To iegūšanai

nepieciešami māli un kalcija karbonātu (Ca CO3) saturoši minerāli.

8.4. KERAMISKO MATERIĀLU IEGŪŠANA UN APSTRĀDE

Kā jau redzējām keramisko materiālu galvenā sastāvdaļa ir māls vai kaolīns, kas

maisījumos ar ūdeni veido plastiskas, viegli formējamas masas.

Aplūkosim vispārīgu keramisko materiālu izstrādājumu iegūšanas shēmu (8.11. att.).

Ingredientu malšanas mērķis ir iegūt pēc iespējas mazākus daļiņu izmērus (dažu

desmitu μm līmenī).

Ingredientus samaisot un sajaucot ar ūdeni iegūst viendabīgu formmasu.

Keramiskā izstrādājuma veidošana var notikt dažādi. Izmantojamā formēšanas

metode prasa atšķirīgu formmasas konsistenci.

Vairumā metožu izmanto tādas konsistences masu, lai tā būtu pietiekami viegli

formējama un tai paša laikā noformētais jēlizstrādājums tālākajā žāvēšanas procesā spētu

saglabāt piešķirto formu (nedeformētos pašsvara ietekmē).

8.11. att. Keramiskā izstrādājuma iegūšanas shēma

samaisīšana

MĀLS

žāvēšana apdedzināšana

PIEDEVAS ŪDENS

malšana

FORMMASA veidošana NOFORMĒTS JĒLIZSTRĀDĀJUMS

IZSTRĀDĀJUMS


11

Viena no plaši izmantojamām metodēm ir ekstrūzija. (8.12. att.). Īpašās iekārtās –

ekstrūderos – plastisku formmasu (ūdens saturs 15 – 20 %) 1 ar rotējoša gliemeža 2

palīdzību nepārtraukti izspiež cauri formējošam uzgalim 3. Izspiesto profilu 4 sagriež

nepieciešamā izmēra gabalos. Šādā veidā iegūst gan pilna šķērsgriezuma profilus (ķieģeļus,

flīzes u.c.) I, gan slēgtus profilus (caurules, caurumotos ķieģeļus u.c.) II.

Pēc formēšanas jēlizstrādājumi tiek žāvēti.

Sarežģītākas konfigurācijas izstrādājumus izgatavo arī presējot (8.13. att.).

Izstrādājumu izgatavošanai, kuriem ir rotācijas ķermeņa forma, plaši tiek izmantota

virpošanas metode (8.14. att.). Formmasa 1 apaļa plācenīša veidā tiek uzlikta uz formu 2,

8.12. att. Keramisko izstrādājumu formēšana ekstrūzijas ceļā

1

2 3

4

4

3


12

kas atbilst izstrādājuma (trauka) iekšējās virsmas konfigurācijai. Formai rotējot šablons 3,

kura konfigurācija atbilst izstrādājuma arējai virsmai, pakāpeniski tuvojoties formai, veido

izstrādājumu. Gatavo jēlizstrādājumu 4 uzmanīgi noceļ no formas un novirza uz žāvēšanu.

Principiāli atšķiras keramiskā izstrādājuma formēšana no šķidras formmasas – šlikera.

(8.15. at.).

Krējuma konsistences šlikeri (ūdens saturs ≈ 30%) 1 ielej izjaucamā (parasti divdaļīgā)

biezsienu ģipša formā 2. Ģipša raksturīga īpašība ir spēja intensīvi uzsūkt ūdeni. Rezultātā

8.13. att. Keramiskā izstrādājuma formēšana presējot

8.14. att. Keramiskā izstrādājuma formēšana virpojot

I II

III IV V

1

2 3

4


13

uz formas iekšējās virsmas veidojas atūdeņotas keramiskās masas slānis 3, kura biezums

laikā pieaug. Kad šis slānis sasniedzis konkrētam izstrādājumam nepieciešamo sieniņas

biezumu, formu apgriež un šlikeri izlej. Pēc zināma laika formu atver un jēlizstrādājumu 4

novirza uz žāvēšanu.

Jēlizstrādajuma žāvēšana.

Jēliszstrādājuma žūšanas procesā, ūdenim 1 iztvaikojot, ūdens slāņa biezums starp māla

un citām keramikas masas daļiņām 2 pakāpeniski samazinās (8.15. att.). Daļiņas tuvinās

8.14. att. Keramiskā izstrādājuma formēšana no šlikera

1

2 3 4

4


14

viena otrai. Rezultātā keramikas masas tilpums V žūšanas laikā t samazinās – materiāls

sarūk. (sarukums var sasniegt vairākus %). Žāvēšanu parasti veic līdz ūdens 1, kas ietverts

starp daļiņām 2 un arī daļiņu porās tiek aizvākts. Ja žāvēšana ir nepietiekama, izstrādājums

var sabrukt, ūdenim strauji iztvaikojot žāvēšanai sekojošā apdedzināšanas procesā.

Žāvēšanu nedrīkst forsēt (ceļot temperatūru, samazinot mitruma saturu apkārtējā gaisā

un tml.), jo tas var izraisīt izstrādājuma plaisāšanu.

Žāvēšanu parasti veic nepārtrauktas darbības tuneļa žāvētavās.

Izžāvētai masas stiprība ir niecīga, jo daļiņas savā starpā saskaras atsevišķos punktos un

starp tām darbojas vājās starpmolekulārās saites. Taču šai stiprībai jābūt pietiekamai lai

izstrādājumus varētu droši pārvietot sekojošam tehnoloģiskām operācijām. Lai izveidotu

keramiskā materiāla struktūru tas termiski jāapstrādā – jāapdedzina.

Apdedzināšanas procesā, pakāpeniski ceļot temperatūru notiek vairāki procesi.

Augstākā temperatūrā kūstošās daļiņas (kaolinīta, SiO2) nekūst, bet pakāpeniski kļūst

deformējamākas (8.16. att.). Kontaktvirsma starp daļiņām 1 pieaug. Daļiņu sastāvā

ietilpstošie joni difundē pa kontaktvirsmu, veidojot saites starp daļiņām 2. Daļiņām saplūstot

8.15. att. Keramiskās masas žūšanas process

V

t 1 2


15

materiālā veidojas noslēgtas poras 3. Aprakstīto procesu sauc par daļiņu saķepšanu. Tas ir

noteicošais veidojoties rupjās mālu keramikas izstrādājumiem.

Daļiņu 1 saistīšanās notiek savādāk ja keramiskā masa satur arī vieglāk kūstošas daļiņas

2 (piemēram, laukšpatu). Šīs daļiņas kūstot veido stiklveida fāzi 3, kas cieši saista savā

starpā nekūstošās daļiņas. Rezultātā poru 4 saturs ievējojami samazinās (8.17. att.). Šāds

process notiek porcelāna un daļēji arī fajansa apdedzināšanas gaitā.

Apdedzināšanu veic dažādas konstrukcijas apdedzināšanas krāsnīs, kuras apgādātas ar

gāzes vai elektriskiem sildītājiem. Krāsnis ir gan periodiskas, gan nepārtrauktas darbības.

Dažādu keramisko materiālu apdedzināšanas apstākļi un iegūtā materiāla struktūra un

īpašības atšķiras (8.2. tab.).

8.16. att. Daļiņu saķepšana apdedzinot keramisko materiālu.

8.17. att. Daļiņu saķepšana veidojoties stiklveida fāzei

1 2

3

1 2 3 4


16

8.2. tabula

Svarīgāko keramisko materiālu apdedzināšanas apstākļi un īpašības

Keramikas veids Apdedzināšana apstākļi

Poru saturs, %

(tilpummasa, t/m3)

Izstrādājumu viedi

Rupjā keramika 900 – 1050 OC > 20

(1,7 – 1,9)

Ķieģeļi, kārniņi, apdares ķieģeļi un flīzes u.c.

Fajanss 1250 - 1300 OC > 15

(2,0 – 2,1)

Santehnikas izstrādājumi, trauki, flīzes u.c.

Porcelāns 1200 - 1450 OC < 5

(2,3 – 2,5)

Trauki, laboratorijas trauki, ķīmiskās aparatūras elementi, elektrotehnisko ierīču elementi u.c.

Kā redzams no 8.2. tab. datiem, keramiskie materiāli ir poraini. Šo porainību iespējams

labi saskatīt aplūkojot keramikas parauga lauzuma – drumstalas – mikroskopiskos attēlus

(8.18. att.).

8.18. att. Rupjās keramikas drumstalas elektronmikroskopisks attēls


17

Izšķir izolētās un savstarpēji saistītās poras (skat. poru veidu shematisku attēlu - 8.19.

att.).

Savstarpēji saistītās poras nosaka keramiskā materiāla gaisa un ūdens caurlaidību.

Izturot keramikas paraugu ūdenī ar ūdeni aizpildās tikai savstarpēji saistītās poras. Tātad

savstarpēji saistītās poras nosaka tādu svarīgu keramiskā materiāla rādītāju kā ūdens

uzsūkšanas spēja.

Dažādu keramisko materiālu porainība atšķiras (8.2. tab.).Vismazākā porainība ir

porcelānam. Vislielākā – rupjās keramikas izstrādājumiem. Pateicoties gaisa mazai siltuma

vadāmībai, pieaugot porainībai palielinās keramikas materiāla siltuma izolācijas īpašības.

Tās ir ļoti svarīgas celtniecības izstrādājumiem: ķieģeļiem, kārniņiem u.c.

Lai samazinātu keramisko materiālu gaisa un ūdens caurlaidību, kā arī ūdens uzsūkšanas

spēju, izstrādājuma virsmu pārklāj ar stiklveida kārtiņu – glazūru.

Glazūru veidošanai izmanto keramikas masas ar palielinātu laukšpata saturu. Tās

termiskās apstrādes procesā kūst, ieplūst keramiskā izstrādājuma virsmas porās, noturīgi

saistās ar keramisko materiālu un atdziestot veido stiklveida kārtiņu. (8.20. att.). Keramikas

izstrādājuma glazūras kārta ir blīva, ar nelielu poru saturu.

8.19. att. Izolētu 1 un savstarpēji saistītu 2 poru shematisks attēls. Materiāls pirms I un pēc II iemērkšanas ūdenī.


18

Glazēta virsma ir cieta, gluda, labi atstaro gaismu (8.21. att.).

Dažādu keramisko izstrādājumu glazēšanas un apdedzināšanas operāciju savstarpējā

secība aplūkota shēmā (8.22. att.).

8.20. att. Neglazēta (I) un glazēta (II) keramiskā materiāla šķērsgriezuma shematisks attēlojums

I II

8.21. att. Neglazēts (I) un glazēts (II) porcelāna izstrādājums


19

Glazūru uzklāj uz izžāvētu vai iepriekš apdedzinātu izstrādājumu aplejot to ar glazūras

masas šlikeri, vai iemērcot izstrādājumu šlikerī.

Īpašu vietu keramisko materiālu vidū ieņem karstumizturīgā keramika. Tā tiek veidota

no grūti kūstošām izejvielām: augstas tīrības māliem ar paaugstinātu Al2O3 saturu, kvarca

glazēšana

IZŽĀVĒTI JĒLIZSTRĀDĀJUMI

apdedzināšana 900 – 1050 OC

PORCELĀNS FAJANSS RUPJĀ KERAMIKA

apdedzināšana 950 – 1150 OC

I apdedzināšana 1250 – 1280 OC

glazēšana

II apdedzināšana 1050 – 1150 OC

I apdedzināšana 900 - 1000 OC

glazēšana

II apdedzināšana 1250 – 1450 OC

IZSTRĀDĀJUMI: ķieģeļi, kārniņi,

krāsns podiņi

IZSTRĀDĀJUMI: apdares ķieģeļi,

flīzes, krāsns podiņi,

trauki, mākslas priekšmeti

IZSTRĀDĀJUMI: santehnikas izstrādājumi,

flīzes, trauki, ķīmiskie trauki,

mākslas priekšmeti

IZSTRĀDĀJUMI: flīzes, trauki,


IZSTRĀDĀJUMI: flīzes, trauki, ķīmiskie trauki,


apgleznošana

8.22. att. Dažādu keramisko izstrādājumu glazēšanas un apdedzināšanas operāciju savstarpējā secība


III apdedzināšana

20

smiltīm u.c. Karstumizturīgās keramikas izstrādājumi spēj izturēt augstas temperatūras (līdz

1700 OC un pat vairāk). Šajās temperatūrās tie netop mīksti un nereaģē ar agresīvo apkārtējo

vidi. Tiem parasti ir labas siltumizolācijas īpašības. Karstumizturīgie keramikas izstrādājumi

ir neaizstājami metālu, stikla, keramikas un cementa ražošanas iekārtu izgatavošanā.

8.5. STIKLA IEGŪŠANA, PĀRSTRĀDE UN APSTRĀDE Stiklu iegūšanai nepieciešamos ingredientus: tīras kvarca smiltis (SiO2, Fe saturs < 0,03

– 0,05%), soda (Na2CO3), kalcija karbonāts (CaCO3), kaolīns (Al2O3 2SiO2 2H2O),

dolomīts (CaMg(CO3)2) u.c. žāvē, maļ (izņemot smiltis), dozē nepieciešamajās attiecībās un

samaisa līdz homogēna sīkdispera pulverveida maisījuma – šihtas – iegūšanai (8.23. att.).

Tālāk seko stikla masas iegūšana – stikla vārīšana. Palielinoties temperatūrai šihtā norisinās

vairāki procesi (8.3. tab.).

8.23. att. Stikla šihtas iegūšanas shēma.

SMILTIS SODA DOLOMĪTS KAOLĪNS krāsvielas, dzidrinātāji.

žāvēšana žāvēšana

malšana

dozēšana

samaisīšana

ŠIHTA


21

8.3. tabula

Stikla vārīšanas svarīgākās norises

Temperatūra, OC Norise

300 - 400 Mg, Ca un Na karbonātu savstarpējās reakcijas

350 - 900 Mg, Ca un Na karbonātu mijiedarbība ar SiO2

800 - 900 Šķidrās fāzes izveidošanās

1000 - 1200 Mg un Ca silikātu veidošanās

1200 - 1250 Homogēna stikla kausējuma veidošanās

Stikla vārīšanu veic periodiskas vai nepārtrauktas darbības stikla kausēšanas krāsnīs ar

elektrisko vai gāzes apsildi. Nepārtrauktas darbības vannas krāsns shematiski attēlota 8.24.

att.

Krāsns korpuss izgatavots no materiāliem, kas spējīgi izturēt augsto stikla kausēšanas

temperatūru. Caur speciālu dozēšanas atveri 1 šihta 2 nepārtraukti tiek ievadīta vannas

krāsns augsttemperatūras zonā I stikla kausējumā. Tur tā sasilst un kūstot sajaucas ar stikla

kausējuma slāņiem. Sekojošās krāsns zonās (II, III) tiek uzturēta nedaudz zemāka

temperatūra un tātad arī zemāka stikla kausējuma temperatūra. Stikla kausējumu 3 dažādu

izstrādājumu izgatavošanai nepārtraukti noņem no krāsns zonas III.

Stikla kausējumi atšķiras no metālu kausējumiem.

8.24. att. Stikla kausēšanas vannas krāsns shematisks attēls

1540 OC 1425 OC 1370 OC

1340 OC 1260 OC 1370 OC

1

2

I II III

3


22

Metāli kļūst izteikti šķidri, kad sasniegta metāla kušanas temperatūra. Šķidra metāla

viskozitāte (konsistence) ir neliela. Pateicoties tam, kā redzējām, metāli ir viegli lejami.

Stikla viskozitāte, palielinoties temperatūrai samazinās pakāpeniski (8.25. att.). Sildot

stiklu, tas kļūst mīksts (tā viskozitāte ir 106 – 107 Pa s), ceļot temperatūru viskozitāte

samazinās. Viskozitātes vērtību intervālā no 106 līdz 103 Pa s stikls ir ērti formējams.

Dažāda sastāva stikliem viskozitāte vienādā temperatūrā būtiski atšķiras. Stikli ar lielu

SiO2 saturu ir viskozāki. Tāpēc atšķiras arī temperatūra, kurā dažāda sastāva stikli sasniedz

pārstrādei nepieciešamo viskozitāti. Ja SiO2 stikliem šī temperatūra ir 1400OC un vairāk, tad

Na stiklus iespējams pārstrādāt jau pie 600 OC. Tā ir būtiska Na stiklu priekšrocība. Tomēr

jāņem vērā, ka šī paša iemesla dēļ Na stikliem ir zemāka termiskā izturība.

0

8

0 500 1000 1500 2000

temperatūra, oC

visk

ozitā

te ,

Pa s

104

108

1012

102

106

1010

1014

kausējums

pārstrādes intervāls

mīksttapšana

atlaidināšana

stiklošanās

Na stikls

B stikls

96% SiO2

SiO2

1016

8.25. att. Dažāda sastāva stiklu viskozitātes atkarība no temperatūras


23

Stiklu pārvēršanai dažādos izstrādājumos – pārstrādei - iespējams izmantot vairākas

metodes.

Stikla lokšņu izgatavošanai (logu un skatlogu stikls u.c.) visbiežāk izmanto

nepārtrauktas izvilkšanas metodi.

Izvilkšanu iespējams veikt vertikāli (8.26. att.). Izvilkšana procesā stikla masa uz stikla

kausējuma 1 līmeņu starpības rēķina spiežas cauri kausējumā iegremdētās „laiviņas” 2

spraugai. Spraugas platums līdzinās formējamās stikla loksnes biezumam, bet garums –

loksnes platumam. Loksnes 3 virzīšanos uz augšu nodrošina vilcējveltņu sistēma 4, kas

izvietota loksnes atdzisušajā daļā.

Izvilkšanu var veikt arī horizontāli (8.27. att.).

8.26. att. Stikla loksnes vertikāla izvilkšana

8.27. att. Stikla loksnes horizontāla izvilkšana

1

2

1

3

4


1

3

2

1

3

4

24

Arī stikla caurules arī iespējams izgatavot nepārtrauktā izvilkšanas procesā (8.28. att.)

Stikla kausējumu 1 nepārtraukti virza uz rotējošu formējošo elementu 2. Stikla

kausējums „aptinas” ap formējošo elementu un caurules veida profils 3 tiek nepārtraukti

vilkts. Lai vēl neatdzisušajā caurules daļā profils nesaplaktu, cauri formējošam elementam

tiek nepārtraukti pūsts gaiss

Neliela izmēra biezas stikla loksnes iespējams iegūt arī vienkārši izrullējot viskozo

stikla masu (8.29. att.). Parasti šāda veidā formē krāsaina stikla loksnes vitrāžām.

8.28 att. Stikla caurules izvilkšana

8.29 att. Stikla loksnes izgatavošana izrullējot

4

1

2 3


25

Stikla šķiedru iegūst (8.30. att.) nepārtraukti velkot sīkas stikla kausējuma 1 strūkliņas 2,

kas plūst cauri formējošam elementam – filjērai 3. Lai strūkliņas ātrāk atdzistu, tās appūš ar

augstu gaisu. Vienlaicīgi tiek formētas 500 -1000 šķiedru (ar diametru ap 10 μm). Tās tiek

apvienotas kompleksajā diegā vai grīstē 4.

Dobu stikla izstrādājumu iegūšanai izmanto presēšanas, presēšana – izpūšanas un

izpūšanas metodes (8.31. att. - 8.33. att.).

8.30 att. Stikla šķiedras nepārtraukta izvilkšana

1

1

2

3 2

4


26

Precīzi dozētu stikla kausējuma „piku” 1 ievieto formā 2 (I, II). Puansons 3 formē

izstrādājumu 4 (III, IV). Kad izstrādājums atdzisis, puansons tiek izvilkts(V, VI).

Formējot stikla izstrādājumu izpūšanas ceļā (8.32 att.), dobu stikla kausējuma pilienu 1

ievieto izjaucamā (parasti divdaļīgā) formā 2 (I, II). Pūšot gaisu īpašā atverē 3 (III), tiek

izveidots izstrādājums 4 (IV).

Presēšanas un izpūšanas procesus iespējams apvienot (8.33 att.).

8.31 att. Stikla izstrādājuma iegūšana presējot

1

I

I II III IV

V VI

2

3

4

5


27

8.32 att. Stikla izstrādājuma iegūšana izpūšot

I

1

II

III IV

2

3

4


28

Nolūkā samazināt iekšējos spriegumus, noformētos stikla izstrādājumus pakļauj

atlaidināšanai. Izstrādājumus lēni uzsilda līdz noteiktai temperatūrai un tad lēni atdzesē.

8.33 att. Stikla izstrādājuma iegūšana izpūšot


29

8.6. CEMENTS Atsevišķu keramisko materiālu grupu veido neorganiskie cementi. Cements ir noteikta

sastāva pulverveida viela, kas būdama iejaukta ūdenī veido pastu, kas laikā sabiezē un

sacietē veidojot cietu, mehāniski izturīgu materiālu. Sacietējuša cementa izturība var būt

tuva apdedzināta keramiska materiāla izturībai. Taču būtiskākā cementa priekšrocība ir tā

spēja cietēt istabas temperatūrā.

Svarīgākā loma cementu vidū ir portlandcementam.

To iegūst termiski apstrādājot mālus un kalcija karbonātu saturošas minerālvielas.

Portlandcementa iegūšanas procesa shēma parādīta 8.34. att.

Māli un kaļķakmens (vai kaļķakmeni saturoši māli) tiek samalti un sajaukti

nepieciešamās proporcijās. Sajauktā masa tiek apdedzināta nepārtrauktas darbības rotējošās

krāsnīs līdz 1400 OC.

8.34. att. Portlandcementa iegūšanas procesa shēma

MĀLI KAĻĶAKMENS

malšana

dozēšana

samaisīšana

CEMENTA KLINKERS

apdedzināšana

malšana

CEMENTA PULVERIS


30

Apdedzināšanas procesā kaļķakmens sadalās:

Ca CO3 CaO + CO2

Kalcija oksīdam mijiedarbojoties ar mālu galveno sastāvdaļu kaolinītu Al2O3 • 2SiO2 •

2H2O veidojas kalcija alumināti un kalcija silikāti (3 CaO • Al2O3, 2 CaO • SiO2, 3CaO •

SiO2). Komponentu daļiņu saķepšanas rezultātā veidojas apdedzināšanas gala produkts

cementa klinkers – cietu blīvu neregulāras formas granulu veidā (8.35. att.).

Pēdējā operācija portlandcementa tehnoloģiskajā ir klinkera malšana bumbu dzirnavās.

Malšanas rezultātā iegūto cementa pulvera daļiņu izmēri ir viens no svarīgākajiem cementa

kvalitātes rādītājiem. Jo smalkāks malums, jo labākas cementa īpašības. Iegūtais cementa

pulveris ir gatavs izmantošanai.

Aplūkosim īsumā cementa cietēšanas norises ūdens vidē. Cementu sajaucot ar ūdeni

sīko cementa daļiņu sastāvā ietilpstošie kalcija silikāti un kalcija alumināti pakāpeniski šķīst

ūdenī un ķīmiski saista ūdens molekulas.

3CaO • Al2O3 + 6 H2O → Ca3 Al2(OH)12 + siltums

2CaO • SiO2 + x H2O → Ca2 SiO4 • x H2O + siltums

Procesa sākumā veidojas recekļa veida masa (gels). Cementa – ūdens maisījums

sabiezē. Tālākā procesā receklī veidojas nepārtrauktas trīsdimensiju struktūras un tas

pārvēršas cietā, mehāniski izturīgā akmenī (skat. shēmu 8.36. att.).

8.35. att. Portlandcementa klinkers


31

Portlandcementu izmanto cietējošu betona masu (javu) iegūšanai, kas bez cementa un

ūdens satur arī citas piedevas. Visbiežāk tās ir smiltis, grants, oļi u.c.

Betona masas iegūšanas un tālākas izmantošanas shēma parādīta 8.37. att.

C

I II

III IV

H2O

gels

akmens

8.36. att. Portlandcementa cietēšanas procesa shēma


32

Portlandcementa betona masu plaši izmanto celtniecībā ēku, tiltu, estakāžu u.c. būvē

gan monolītu konstrukciju izveidē, gan kā saistvielu mūrēšanas darbos, gan kā apmetuma

materiālu.

CEMENTS ŪDENS

samaisīšana

GRANTS U.C.

iepildīšana formā

BETONA MASA

masas cietēšana

BETONA IZSTRĀDĀJUMS

8.37. att. Betona iegūšanas procesa shēma


Documents

8. VIENKĀRŠO MATERIĀLU VEIDI. KERAMIKA. STIKLS. CEMENTS. 8/8_Keramika_stikls.pdf · Viens no masveidīgākiem keramikas veidiem ir rupjā keramika, kuru veido praktiski tikai no