Spis treści

Szkliwa ceramiczne – historia

Od wielu dziesiątków, setek, (tysięcy ?) lat ludzie próbowali sprawić aby ceramika była czymś zabezpieczona. Najpierw z powodów zupełnie prozaicznych – po prostu przeciekała. Później, ale chyba nie dużo później, próbowali uczynić ją bardziej atrakcyjną dla oka i/lub kupujących. Tak powstały szkliwa ceramiczne. Kiedy? O to pewnie trzeba by zapytać archeologów lub historyków sztuki.

Szkliwa ceramiczne – co to właściwie jest?

Otóż wedle definicji na wikipedii – jest to warstwa masy szklanej pokrywająca powierzchnię wyrobu ceramicznego i ściśle z nią połączona w procesie wypalania/spiekania/stapiania w temp. od 1080 °C do 1450 °C. Nie do końca to prawda ( zwłaszcza zakres temperatur).W starożytnej Grecji wypalano np. wyroby pokrywane werniksem i wypalano w temperaturze 600 do 800 C i też się szkliwiło. Ale zostawmy to, bo to tu nie ma znaczenia. Definicję pobrałem właśnie z wikipedii by łatwo ją sprawdzić.

Klasyfikacje szkliw ceramicznych

Zasadniczo klasyfikacje szkliwa zależą mocno od kryteriów klasyfikacji. Ponieważ kryteriów jest wiele to i klasyfikacji jest wiele. Zapewne niedługo będzie ich jeszcze więcej ponieważ jak wiadomo atrakcyjne, stabilne szkliwa ceramiczne jest dość trudno stworzyć ale dość łatwo je podzielić na kategorie. Ponieważ kiedyś już pisałem o klasyfikacjach wyrobów ceramicznych a szkliwa ceramiczne w zasadzie muszą odpowiadać składem tym wyrobom to nie będę tu tego powtarzał. Dla chętnych tutaj

Z czego składa się szkliwo.

Prosta odpowiedź jest bardzo lakoniczna: z odpowiednich substancji w odpowiednich proporcjach. Nie jest to próba zażartowania sobie z Was. Tak jest w istocie. I o tym jest ten artykuł. Tak powstają szkliwa ceramiczne. Będzie o chemii!!!. Przejdźmy zatem od ogółu do szczegółu.

Jeden ze sposobów podziału substancji wchodzących w skład szkliwa przyjmuje jako kryterium funkcję danego składnika w procesie formowania szkliwa. A wygląda to tak:

składnik szkłotwórczy

masa szkliwna, substancja bazowa, składnik szkłotwórczy ( ang. glass former )

Jej funkcją jest, co dobrze określa nazwa – tworzenie szkliwa. W zależności od temperatury wypału podstawowym składnikiem szkłotwórczym mogą być różne substancje. Przyjmuje się, że w zasadzie są to substancje zawierające duże ilości krzemu.

topnik (ang. flux)

Tu nazwa również dobrze wyjaśnia funkcję. Ponieważ substancja bazowa jak i stabilizator powodują, że temperatura topnienia szkliwa może być wyższa niż ta, która jest przedmiotem naszego zainteresowania to dodatek tych czynników jest niezbędny. Poza tym pełnią one funkcje związane z zapewnianiem odpowiednich parametrów płynnego szkliwa takich jak rozpływ, lepkość, gęstość, itp. Należy pamiętać, że szkliwo musi się upłynnić w temperaturze, którą wytrzyma jeszcze czerep naszego wyrobu.

stabilizator, wypełniacz ( ang. refractory )

Też można zrozumieć o co chodzi w nazwie, Stabilizator stabilizuje szkliwo ceramiczne. Zapewnia jego odpowiednią wytrzymałość, konsystencję, itp. Należy zwrócić uwagę, że poszczególne składniki muszą występować w odpowiednich proporcjach. Czasem konieczność dodania większej ilości topnika wymusza większy dodatek stabilizatora. Stabilizatorem najczęściej są substancje zawierające w swoim składzie duże ilości glinu ( glin to aluminium po polsku – żeby nie pomylić z gliną 🙂 )

Niby to wszystko takie proste ale nie całkiem i nie zawsze gdyż w poszczególnych zakresach temperatur i warunkach panujących w podczas wypału niektóre substancje zamieniają się np. ze stabilizatorów w topniki jak np. w przypadku tlenków żelaza.

Oczywiście mamy jeszcze dodatkowe substancje np. tlenki nadające barwę , tlenki zmętniające ale o tym już pisałem i na razie nie ma to takiego dużego znaczenia. Na razie…

Niby to wszystko takie proste ale nie całkiem i nie zawsze gdyż w poszczególnych zakresach temperatur i warunkach panujących w podczas wypału niektóre substancje zamieniają się np. ze stabilizatorów w topniki jak np. w przypadku tlenków żelaza.

Oczywiście mamy jeszcze dodatkowe substancje np. tlenki nadające barwę , tlenki zmętniające ale o tym już pisałem i na razie nie ma to takiego dużego znaczenia. Na razie…

Trochę o Segerze

Piszę trochę gdyż niedługo postaram się napisać szerzej o jego pracach, analizach, wzorach, przemyśleniach i praktycznych formułach i ich wpływie na szkliwa ceramiczne. Tak więc był sobie tak pan Hermann August Seger. Pewnie o nim słyszeliście ale jeśli nie to pozwólcie dwa słowa. Pan urodził się 1839 w Posen – obecnie nazywanym Poznań i nie był Polakiem. Gimnazjum skończył we Frankfurcie nad Odrą po niemieckiej stronie ( bo polskiej wtedy nie było). Pewnie nawet łowił ryby w Odrze.

Po skończeniu studiów chemicznych obronił doktorat w Rostock a przedmiotem jego badań były ogólnie mówiąc właściwości gliny. Jest między innymi autorem receptury i patentu na porcelanę wypalaną w temperaturach niższych niż klasyczna porcelana zwaną czasem porcelaną Segera. Wynalazł coś takiego co znamy dziś pod nazwą stożków Segera. Piramidki do sprawdzania temperatury wypału w piecu. Więcej w artykule o stożkach

Zbadał, usystematyzował i opisał formułami podstawowe składniki szkliw i szkliwa. Był pionierem w zakresie niskotoksycznych, bezołowiowych substancji barwiących w szkliwach. Stworzył i kierował Instytutem Badań Chemiczno-Technicznych przy Cesarskiej Manufakturze Porcelany w Berlinie. Dokonał wielu, wielu ciekawych odkryć. Rzec by można, że gdy nasi dziadowie walczyli o „wolność naszą i waszą” chłop się nie obijał. Ciekawa postać.

Dlaczego o nim piszę? Ponieważ chciałbym Wam zaprezentować kilka fajnych „ciekawostek”, które wymyślił. Ale najpierw popracujmy…

O molach w ceramice

Wybaczcie ale muszę. Niestety zrozumienie tego zagadnienia jest niezbędne aby przejść do dalszych rozważań. Do formuł Segera. W zasadzie pewnie wszyscy to wiedzą więc pewnie nie muszą tego fragmentu czytać ale jeśli ktoś tego nie wie postaram się wytłumaczyć. Obiecuję. Najprościej jak potrafię.

O pomiarach w ogóle

Czy zastanawialiście się kiedyś co to jest metr lub kilogram? A może dlaczego Anglosasi przywykli do stóp i funtów? Chodzi mi oczywiście o foot = 30,48 cm i pound = 0,45359 kg a nie o zapach nóg i pieniądze. Wiecie dlaczego funt ma 16 uncji?

Ludzie od zawsze musieli mierzyć i ważyć. Problem powstawał wtedy gdy ktoś kupił 1 funt czegoś o ktoś inny zważył za pomocą swojej wagi i było to już tylko 0,9 jego funta. Bo jego funt ważył więcej 🙂 . Zasadniczo, jak mówią to było funta kłaków warte. Dlatego aby mierzyć i ważyć i robić wiele jeszcze innych rzeczy jednostki pomiarowe zdecydowano się zestandaryzować. Tak powstał ten słynny platynoirydowy wzorzec metra w Sevres pod Paryżem. Nawiasem mówiąc nie ma on już dziś metra ponieważ jako miarę przyjęto odległość jaką pokonuje światło w ciągu 1/299 792 458 sekundy. Na szczęście różnice są niewielkie. Na którymś miejscu po przecinku 🙂 .

Co to są te mole?

Kiedy zaczęto analizować przebieg reakcji reakcji chemicznych opisywanych wzorami pierwiastków i cząstek powstała naturalna potrzeba przejścia od molekuł ( we wzorach ) do masy poszczególnych składników podczas analizy. Bardzo trudno byłoby zważyć jeden atom miedzi i jeden tlenu. I znowu inwencja naukowców przyszła z pomocą. Postanowiono sprawdzić ile atomów znajduje się w 12 g węgla. Dlaczego węgla? Może węgiel był wtedy bardziej dostępny niż w 2022 r w kraju kopalń rządzonym przez nowe elity? To sprawa tajemnicza z pogranicza historii.

Gdzie był problem?

Zresztą od tego dlaczego, ważniejsze było pytanie jak i po co. Otóż gdyby udało się policzyć ile atomów węgla jest w 12 jego gramach to można by to przyjąć jako taki „metr” w chemii. Zbadać jednostkę masy ściśle określonej ilości atomów poszczególnego związku lub pierwiastka. W końcu się udało. Okazało się, że jest to 6,0221 x 1023 atomów. Aby zdać Wam sprawę ile to jest postaram się zapisać to w formie bardziej czytelnej: 602.210.000.000.000.000.000.000. Oczywiście nikt nie siedział i tego nie liczył gdyż, zakładając, że policzenie jednego atomu zajmuje sekundę to zabrało by to 293 biliony lat !

Rozwiązanie

Zrobiono to szybciej i sprawniej. A jak? Musicie poszukać bo to ciekawa historia lecz nie jest przedmiotem naszych rozważań. Ważne, że od tamtego czasu przyjmuje się, że liczba 6,02 x 1023 jest uznawana jako stała fizyczna liczbowo równa liczbie atomów, cząsteczek lub innych cząstek materii w jednostce zwanej jednym molem! A liczbę 6,02×1023 nazwano liczbą lub stałą Avogadro by uczcić włoskiego fizyka Amedea Avogadrę, który się tym zajmował. Jeśli teraz zajrzycie do internetu to właściwie dla każdego atomu, cząsteczki itp. znajdziecie odpowiednik wagowy jednego mola podawany jako NA. Tak na przykład dla atomu tlenu (O) jest to ok. 15,87 g dla miedzi(Cu) 63,54 g na podstawie czego można dowiedzieć się, że jeden mol tlenku miedzi CuO waży 79,41 g. I wiecie co? To się zgadza!!!  …ale jaki to ma związek z tematem szkliwa ceramiczne? Jeszcze chwila…

Praktyczne zastosowanie

Wyobraźcie sobie, że posiadamy dwie bardzo żrące substancje: wodorotlenek sodu (NaOH) i kwas solny (HCl). Chcielibyśmy na oczach przerażonych widzów pomieszać to i wypić. Jak „mol” może nam w tym pomóc? Jak przeżyć panie prezydencie? Jak przeżyć? Należy się uczyć, uczyć, zawsze się uczyć!!! 😉 Otóż wiemy, że jeden mol NaOH pomieszany z jednym molem HCl da nam jeden mol NaCl – a wiadomo, że chlorek sodu to zwykła sól kuchenna i jeden mol H2O – a wiadomo, że to woda! Taka reakcja nazywa się reakcją zobojętniania. Ale…jak coś sknocimy od razu jedziemy na ostry dyżur!!!.

Liczymy

Możemy ( musimy!) to policzyć. Ponieważ chlor ma masę atomową molową 35,45 g, sód – 22,99 g, tlen 15,99 g w wodór 1,01 g. Piszę specjalnie: masę atomową molową gdyż zwłaszcza gazy występują w formie cząsteczkowej tj. tlen O2, chlor Cl2, wodór H2 – wtedy masa molowa cząsteczkowa jest dwu krotnością masy molowej atomowej. Jest to wtedy jeden mol ( 6,02*1023 sztuk) cząsteczek składających się z dwóch atomów.

Liczymy sobie jeden mol HCl waży ( 35,45 + 1,01 ) czyli 36,46 g. Jeden mol NaOH waży (22.99+15,99+1,01) czyli 39.99 g.

Pokaz magii

Półlitrowe naczynie wypełniamy do połowy czystą wodą. Woda ma odczyn obojętny. Bierzemy, na oczach rozentuzjazmowanego tłumu 36,46 g maksymalnie stężonego kwasu solnego i wlewamy go do naczynia. ( Zawsze kwas do wody!!! – nigdy nie na odwrót. Przynajmniej nie na początku kariery 🙂 ). Następnie wsypujemy 39,99 g wodorotlenku sodu i mieszamy i modlimy się gdyż reakcja jest silnie egzotermiczna 🙂 – wydziela się dużo ciepła. Budujemy atmosferę napięcia. Sprawdzamy dyskretnie i niepostrzeżenie czy wystygło. Po chwili mieszania ( lub jak wystygnie) wypijamy to. Tłum szaleje, mężczyźni wstrzymują oddech, kobiety krzyczą dzieci łkają. A my nic. Czujemy tylko słony smak zwycięstwa w ustach.

Głupie. Wiem. Ale teraz delikatnie przesuwacie swój paradygmat i okazuje się, że policzenie masy molowej reagujących substancji np. tlenków w szkliwach wcale nie jest takie skomplikowane. I już jesteście gotowi do przyswajania formuł Segera.

Uwaga! Nie róbcie tego jeśli nie do końca zrozumieliście o co chodzi. W każdym razie ja odcinam się od ewentualnej odpowiedzialności. …i co mają do tego szkliwa ceramiczne?

Podsumowanie

Starałem się pokazać dlaczego warto zrozumieć podstawy zjawisk chemicznych. Dla mnie z powyższych rozważań przynajmniej trzy wnioski są ważne:

  • Ludzie kochają i podziwiają cuda, które w rzeczywistości cudami nie są. Podziwiają je bo nie rozumieją

  • Zmieszanie dwóch substancji szkodliwych, żrących czy trujących nie zawsze musi prowadzić do powstania substancji niebezpiecznej. No chyba, że tak jak w prezentowanym przypadku uznamy sól kuchenną za truciznę

  • Odpowiednie, świadome dobranie składników np. w szkliwach może prowadzić jak w prezentowanym wyżej przypadku do efekty woow ( z polska łoł ) ale nieodpowiednie to już niekoniecznie. Po to jest ta wiedza i warto z niej korzystać.

W następnym odcinku

…jeśli będzie. Formuły Segera określają empirycznie odpowiedni dobór składników w szkliwach. Postaram się je opisać i wskazać sposoby ich zastosowania w poszczególnych przypadkach. Pokażę też kilka narzędzi, które ułatwiają robotę ( pod warunkiem, że się wie co się robi 🙂 ) Może już uda się złożyć świadomie jakieś szkliwa ceramiczne?