Tlenki w ceramice- spis treści
Tlenki w ceramice - dodatki.
Każdy, kto choć trochę głębiej zainteresowany jest ceramiką zapewne w którymś momencie zechce dowiedzieć się trochę więcej o chemicznych podstawach technologii ceramicznej. Nie chodzi tu wszak o prowadzenie badań lub analiz chemicznych ale podstawową wiedzę z zakresu co, jak i dlaczego. Ten artykuł należy traktować jako wprowadzenie do dalszych poszukiwań, bądź po prostu zrozumienia tego co czyta się w profesjonalnych publikacjach z zakresu technologii.
Tlenek wapnia
Wzór chemiczny CaO. Tlenek z grupy tlenków alkalicznych. Posiada silne właściwości higroskopijne. Potocznie nazywany wapnem palonym. W kontakcie z wodą wydziela ogromne ilości ciepła i staje się „wapnem gaszonym”, wodorotlenkiem wapna, Ca(OH)2 – głównym składnikiem tradycyjnych tynków. W tej postaci silnie żrący!
Temperatura topnienia tlenku wapnia to 2570 oC. Trzeba jednak zwrócić uwagę, iż wstępne „upłynnianie” rozpoczyna się już w temperaturze powyżej 1150oC. Tlenek wapnia jest chyba najczęściej stosowanym topnikiem dla szkliw o temperaturze topnienia powyżej 1100oC ( od stożka nr 1 w górę) ze względu na jego niezawodność. Zawartość tlenku wapnia nadaje powłokom szkliwionym wytrzymałości, twardości i zwiększa ich odporność na substancje kwaśne. Większa zawartość tlenku wapnia w szkliwie ( pow. 30%) w przypadku „płynięcia” szkliwa daje efekt „płynących strumyków”.
Dodatek, zwłaszcza większych ilości tego tlenku powoduje efekt matowienia szkliwa. Ta właściwość wykorzystywana jest w przypadku tworzenia efektów szkliw temmoku. Tlenek daje efekt wybielania, rozjaśniania barw tworzonych z udziałem tlenków żelaza – szkliwa seledynowe.
Tlenek magnezu
Należy do grupy tlenków alkalicznych. Wzór chemiczny MgO. Tworzy eutektyki z innymi tlenkami. Jest to niezwykle ważne z uwagi na fakt, iż ten tlenek posiada jedną z najwyższych temperatur topnienia pośród tlenków ok. 2800 oC. Szczęśliwie jako topnik zaczyna działać już w temperaturze powyżej 1170 oC ( stożek nr 5½ – 6 , szkliwa średniotemperaturowe). Powyżej tej temperatury jego właściwości jako topnika stale wzrastają. Tlenek magnezu w postaci proszku posiada stosunkowo niewielką toksyczność. Jest słabo rozpuszczalny w wodzie, choć rozpuszczalność zwiększa się wraz ze wzrostem kwasowości roztworu. Tlenek ma umiarkowany wpływ na kolor szkliwa. Odpowiada za efekt „kryjący”.
W mieszaninach z tlenkiem cyny daje efekt ładnego białego szkliwa kryjącego. Używany jest do tworzenia charakterystycznych efektów matowych znanych pod nazwami matu magnezowego, maślanego lub tłustego. Bardzo często używany w zestawieniu z tlenkami kobaltu. Używany do tworzenia szkliw o odcieniu lawendowym do fioletowego. W mieszaninie z tlenkiem miedzi daje przyjemny różowy efekt. Posiada bardzo mały współczynnik temperaturowy rozszerzalności i skurczu. Zmniejsza lub eliminuje harysowanie ( z niemiecka) lub crackle effect ( z angielska). Może wywoływać efekt crawlingu i powstawanie dziurek w szkliwie ( efekt pinholing ). Pośrednie źródła tlenku magnezu to talk, dolomit i węglan magnezu.
Tlenek sodu
Wzór chemiczny Na2O. Temperatura topnienia powyżej 850 oC ( w temperaturze pow. 900 oC całkowite topnienie ). W zasadzie w pełnym zakresie temperatur posiada doskonałe właściwości jako topnik). Interesującą cechą tego tlenku jest zdolność do zmniejszania skłonności szkliw do wytrącania osadów (tych szaro białych osadów pojawiających się po wypaleniu niektórych szkliw). To dość często spotykany przypadek na internetowych forach ceramicznych ( „ o Boże jakiś osad!.. jak się go pozbyć!” 🙂 ). Tlenek sodu powoduje obniżenie lepkości szkliw i zmniejsza ich napięcie powierzchniowe. Powoduje to, iż jego dodatek, zwłaszcza w większych ilościach powoduje efekt płynięcia szkliwa. Posiada duży współczynnik rozszerzalności oraz skurczu co powoduje zwiększenie efektu pękania szkliwa (harysowania, crackle).
Niekorzystną właściwością tlenku sodu jako dodatku do szkliwa jest „zmiękczanie” powierzchni szkliwionej po wypaleniu. Staje się ona bardziej podatna na wszelkiego rodzaju zarysowania i mechaniczne uszkodzenia. Zwłaszcza naczynia kuchenne, talerza stają się mało odporne na zarysowania przez sztućce. Zmniejsza też odporność poszkliwionej powierzchni na działanie kwasów i detergentów. Ze względu na bardzo częste współwystępowanie
Tlenku sodu i potasu używany jest techniczny wzór KNaO. Pośrednimi źródłami tlenku wapnia są: sól kuchenna ( NaCl – chlorek sodu), soda spożywcza (nadwęglan sodowy NaHCO3), popiół sodowy, boraks (uwodniony czteroboran sodowy Na2[B4O5(OH)4]·8H2O ), Gerstley borate – i jego substytuty, skaleń sodowy, sjenit nefelinowy (nepheline syenite), kriolit. Ciekawe jest wykorzystywanie „tlenku sodu” w postaci mgły solnej przy wypałach „płomieniowych”. Tworzy się wtedy efekty rozbłysków na szkliwie. O tym tlenku i jego wykorzystaniu można by naprawdę wiele jeszcze napisać…
Tlenek potasu
Tlenek o bardzo podobnych właściwościach do tlenku sodu. Wzór chemiczny K2O. Temperatura topnienia ok. 750 oC. Niestety występując samodzielnie nie posiada właściwości topnika. Za to w mieszankach z innymi tlenkami posiada bardzo dobre właściwości jako topnik o właściwościach silnie stabilizujących. Wykorzystywany do kompozycji jasnych błyszczących szkliw. Posiada niską lepkość, obniża napięcie powierzchniowe, dobrze upłynnia szkliwa. Niestety, podobnie jak tlenek sodu posiada wysoki współczynnik rozszerzalności i skurczu. Uwydatnia harysowanie szkliw. Wzmacnia intensywność barwy szkliw zawierających tlenek kobaltu ( barwa niebieska) i węglanu baru z dwutlenkiem manganu ( róże ). Główne źródło: skaleń potasowy w jego wielu odmianach.
Tlenki fosforu
Tlenków fosforu jest kilka. Najczęściej stosowany – wzór chemiczny P2O5. Bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie. Obniża lepkość i napięcie powierzchniowe. Wykorzystywany jako składnik bazy przy tworzeniu szkliw tzw. glass-former. Posiada wysoki współczynnik rozszerzalności i skurczu. W kombinacji z tlenkami magnezu i żelaza stanowi podstawowy składnik szkliw barwy czerwonej. Stanowi jeden z głównych składników popiołu kostnego i sztucznego popiołu kostnego ( składnik szkliw znany pod nazwą TCP – Fosforanu trójwapniowego Ca3(PO4)2) . Wykorzystywany jako dodatek przy tworzeniu wielu kolorowych szkliw. Przy okazji – – człowiek jest źródłem fosforu – ale choć to fakt to oczywiście i głupi dowcip.
Tlenek cynku
Wzór chemiczny ZnO. Tlenek metalu. Posiada bardzo ograniczone właściwości topnika ze względu na temperaturę topnienia 1920-1930 oC. Przy wypale redukcyjnym zamienia się w cynk, który topi się w temperaturze ok 420 oC a już w 950 oC odparowuje. Dlatego stosowany jest w warunkach wypałów oksydacyjnych. Uwaga: Opary cynku są silnie toksyczne!!!. Nie należy do „dobrych” tlenków: bezpiecznych i stabilnych. Jeśli tylko to możliwe raczej należy go unikać.
Tlenek cyny
Wzór chemiczny SnO2. Temperatura topnienia ok 1150 oC. Nie jest toksyczny. Posiada wysoki współczynnik rozszerzalności i skurczu. Powoduje zmniejszenie przezroczystości, matowienie szkliwa. W wysokich temperaturach jak i w atmosferze redukcyjnej traci swoje właściwości „zmętniające” i tworzy szorstkie, szare powierzchnie. Posiada najsilniejsze właściwości matowienia szkliwa. Może być dodawany w ilości od 1 do 15%. Te właściwości, znane od dawna, powodowały powszechne wykorzystanie tlenku cyny jako składnika szkliw majolikowych niskotemperaturowych dających przyjemne odcienie bieli. W kombinacji z tlenkami koloryzującymi (miedzią i chromem) tlenek tworzy czerwienie i róże.
Tlenki boru
Jest kilka „tlenków boru” Najczęściej używany – wzór chemiczny B2O3. Tlenek boru topi w całości w temperaturze ok 700 oC choć proces topnienia zaczyna się już powyżej 300 oC. Tlenek boru występuje w szkliwach w podwójnej roli jako topnik i jako element bazy szkliwa. Posiada właściwości obniżające lepkość i napięcie powierzchniowe. Odznacza się niskim współczynnikiem rozszerzalności i skurczu.
Ze względu na niską temperaturę topnienia jest idealną substancją zapobiegającą efektowi harysowania podczas niskotemperaturowych wypałów redukcyjnych ( oczywiście stosujemy go wtedy gdy efekt crackle jest nieporządany). Należy jednak zachować tak zwaną „czujność rewolucyjną”. Przekroczenie pewnej proporcji ( innej w przypadku każdego szkliwa) może spowodować efekt odwrotny od zamierzonego. Harysowanie gwałtownie wzrośnie.
Ponieważ mieszaniny tlenków są eutektykami, o czym wspomniałem już wcześniej, tlenek boru używany jest jako składnik bardzo silnie obniżający temperaturę topnienia szkliw!!!. Dla przykładu: umiejętne dodanie tlenku boru do szkliwa średniotemperaturoowego ( stożek nr 6 – temperatura wypału ok 1185 oC ) pozwala obniżyć temperaturę wypału szkliwa nawet poniżej 1100 oC – w tej temperaturze bowiem bor odparowuje.
Z chemicznego punktu widzenia silne właściwości tlenku boru jako topnika wynikają z faktu, iż bor umożliwia oddziaływanie innych składników i powoduje zmniejszenie siły oddziaływania wiązań krzemu – aż do ich rozerwania. Powoduje to upłynnienie szkliwa ( szkła w szkliwie) i silne obniżenie jego lepkości. Ponadto działając na podobnej zasadzie, jako dodatek, tlenek boru ( w różnych postaciach) powoduje obniżenie temperatury wypału szkliw przeznaczonych dla wypałów wysokotemperaturowych (stożki 9 i 10 temperatury wypału 1220-1250 oC) do poziomu okolic stożka 6 – wypały średniotemperaturowe.
W swojej roli bazy szkliwa tlenek boru zwiększa wytrzymałość wypalonego szkliwa i stąd jego powszechne wykorzystanie jako składnika szkliw niskotemperaturowych.
Źródłem boru ( tlenku boru ) w szkliwach jest najczęściej kompleks boranowy znany pod nazwą Gerstley borate lub jego substytuty. Często stanowi nawet do 50% składu szkliwa., ( chodzi o procent masowy – czyli przeliczanych względem masy, w odróżnieniu od procentów objętościowych obliczanych względem objętości), Pozostałe pośrednie źródła boru to kolemanit, ulexyt, boraks, kwas borny.
Tlenek litu
Wzór chemiczny Li2O. Tlenek litu choć sam nie powoduje zabarwienia gliny i szkliwa wykazuje jednak cechy wzmacniania intensywności działania innych kolorantów. Temperatura topnienia – okolice 800 oC. Wykazuje najsilniejsze właściwości jako topnik, pośród wszystkich tlenków. Obniża również temperaturę topnienia szkliw. Dodatek 1-2% tlenku może obniżyć temperaturę wypału(„dojrzałości”) szkliwa o jeden stożek. W przypadku konieczności użycia tlenku sodu i/lub potasu, które powodują zwiększenie efektu harysowania w sytuacji gdy efekt ten jest niepożądany, istnieje możliwość substytucji 1-2% tych tlenków tlenkiem litu. Powoduje to znaczący spadek występowania zjawiska „pękania” szkliwa bądź jego całkowita eliminacja.
W sytuacjach gdy musimy wzmocnić wytrzymałość i/lub twardość szkliwa tlenek litu bywa nieoceniony. Gdy nie można już dodać więcej substancji stabilizujących ( ze względu choćby na wywołanie wzrostu temperatury pracy danego szkliwa), można zastosować pewien „trik”. Dodanie niewielkiej ilości tlenku litu obniży temperaturę topnienia szkliwa. Umożliwi to zwiększenie możliwości dodania stabilizatorów takich jak alumina, krzemionka lub tlenek wapnia celem kompensacji temperatury topnienia do poziomu podstawowego. Osiągamy tutaj jednak równocześnie wzrost wytrzymałości szkliwa.
Tlenek litu posiada bardzo niski współczynnik skurczu i rozszerzalności, I ta właściwość pozwala również kompensować niekorzystne właściwości innych tlenków. Pośrednim źródłem tlenku litu jest węglan litu, petalit, spodumen. Generalnie substancje zawierające tlenek litu mają ogromne spektrum pozytywnych właściwości pożądanych w ceramice. Warto je poznać dokładniej. Bardzo zachęcam w tym miejscu do dokonania własnych poszukiwań w literaturze i wypróbowania w praktyce. Należy jednak pamiętać, iż substancje zawierające lit bywają silnie toksyczne.
Tlenek baru
Kiedyś nazywany tlenkiem barowym – choć z konsumpcją raczej ma niewiele wspólnego. Wzór chemiczny BaO. Temperatura topnienia ok.1930 oC. Stanowi mocny topnik dla szkliw wysokotemperaturowych. Szczególnie w mieszaninach z borem. Tlenek baru ma umiarkowany współczynnik rozszerzalności i skurczu oraz średnie napięcie powierzchniowe. Cechuje go jednak duża lepkość. Szkliwa z dodatkiem tlenku baru wykazują dużą odporność i twardość. Wykorzystywany jest w produkcji szkliw krystalicznych. Zwłaszcza szkliw matowych i satynowych. Z tlenkiem miedzi i kobaltu daje żywe, bardzo intensywne kolory. Szkliwa zawierające tlenek baru nie nadają się do wykorzystania w przedmiotach użytkowych ze względu na dużą toksyczność. Historycznie pochodne baru były wykorzystywane do produkcji trucizn. Obecnie unika się stosowania tlenków i soli baru w ceramice dzięki możliwości zastąpienia tych substancji pochodnymi strontu.
Tlenek strontu
Wzór chemiczny SrO. To bardzo ciekawa substancja. Właściwości bardzo podobne do tlenków wapnia i baru. Choć jego temperatura topnienia to 2430 oC to cechy dobrego topnika pojawiają się w okolicach 1090 oC i powyżej. Ponieważ posiada szeroki zakres temperatury topnienia poszerza również zakres temperaturowy szkliw, w których jest zawarty. Nadaje twardości i odporności szkliwom. Efekt wzmacniania koloru podobny do tlenku baru choć nieco słabszy ( często niezauważalnie słabszy). Zaletą jest jednak zdolność tworzenia szkliw intensywnie błyszczących.
Tlenek strontu posiada zdolność substytucji tlenku baru. Przeważnie w proporcji 3:4 ( 3g SrO zamiast 4g BaO). Tlenek strontu posiada współczynniki lepkości i napięcia powierzchniowego na średnim poziomie. Współczynnik rozszerzalności i skurczu na poziomie umiarkowanie wysokim. Pośrednim źródłem tlenku strontu jest węglan strontu.
Tlenki tytanu
Tlenków tytanu jest kilka. Najczęściej Posiada wartościowość IV. Wzór chemiczny TiO2. Temperatura topnienia 1830oC. Posiada współczynniki rozszerzalności skurczu i rozszerzalności na poziomie średni. Na poziomie średnim jest również jego napięcie powierzchniowe. Tlenek tytanu cechuje bardzo wysoka lepkość. Czasami może to prowadzić do usztywniania szkliwa.
Dość ciekawy jest wpływ zawartości tlenku tytanu w szkliwie na intensywność kolorantów. Przy dodatku poniżej 2% – intensyfikuje kolory. W zakresie 2-5% tworzy efekt „marmurkowy”. Powyżej 5 do 20% przygasza kolory i czyni powierzchnię szkliwa bardziej matową. Tlenek tytanu wykorzystywany jest przy tworzeniu szkliw makrokrystalicznych. Pośrednim źródłem tlenku tytanu są rutyl i ilmenit i w tych formacjach najczęściej jest używany w ceramice..
Tlenek cyrkonu
Wzór chemiczny ZrO2. Bardzo wysoka temperatura topnienia ok 2700oC. To powoduje, że czasami jest wykorzystywany jako wypełniacz porów w piecu. Dodatek 1-15% tlenku do szkliwa pozwala osiągnąć efekt matowy. Cząsteczki pozostają nierozpuszczone i zawieszone w szkliwie. Dodatek tego tlenku wzmacnia i usztywnia strukturę szkliwa. Tlenek posiada bardzo wysokie napięcie powierzchniowe i bardzo dużą lepkość. Jednak jego współczynniki skurczu i rozszerzalności są bardzo niskie.
Jak ktoś jest wyjątkowo grzeczny może mu się trafić nawet tlenek cyrkonu w takiej formie – ale to trzeba być bardzo grzcznym albo bardzo bogatym.
Tlenki antymonu
Jest ich kilka – w zależności od wartościowości. Najczęściej – wzór chemiczny Sb2O3 . Temperatura topnienia 650oC. Właściwości zmętniające, matujące oraz dekoloryzujące.
Tlenki ołowiu
Kiedyś jeden z najczęściej wykorzystywanych tlenków. W jednej z form nazywany glejtą ołowianą. Obecnie wycofany z zastosowań ceramicznych ze względu na swoją toksyczność. Gdyby jednak ktoś świadomie zdecydował się na eksperymenty opisy można znaleźć w starszych podręcznikach. Na temat „mitycznego” zagrożenia ołowiem w ceramice w czasach współczesnych polecam artykuł Tlenki ołowiu w ceramice może choć na chwilę histeria ustąpi miejsca zdrowemu rozsądkowi…
Tlenek bizmutu
Wzór chemiczny Bi2O3. Temperatura topnienia 817oC. Stanowi bardzo efektywny zamiennik tlenku ołowiu, który ze względu na swoją toksyczność został wycofany z ceramiki. Niestety wykorzystywanie tlenku bizmutu od strony technologii daje gorsze efekty niż zastosowane tlenku ołowiu.
Tlenki w ceramice - uwagi końcowe
Jest jeszcze oczywiście grupa tlenków tzw. „koloryzujących”. Specjalnie opisanie jej zostawiłem je na koniec. Bez tego nikt nie przeczytał by postów wcześniejszych a czytanie ich jest potrzebne do wykorzystania tlenków koloryzujących ponieważ bez tej wiedzy praca z kolorantami to jak zabawa w piaskownicy.
Poniższy artykuł jest kontynuacją wcześniejszego posta, który można znaleźć tutaj
Temat tlenków będzie kontynuowany w następnych artykułach. Jeśli te opisy wydają się Wam jakkolwiek przydatne prośba o rozważenie wsparcia naszej akcji rozbudowy pracowni i pleneru, które tak jak wszystkie nasze dotychczasowe przedsięwzięcia mają służyć większej grupie osób. Zachęcam do zapoznania się z opisem przedsięwzięcia. Każde, nawet najdrobniejsze wsparcie jest nieocenione! W końcu to pozwoli nam sprawdzić czy to co robimy ma sens!!! Link poniżej.