Basic HTML Version
53
Keramický zpravodaj 29 (6) (2013)
zpracování skla v transformačním intervalu Tg a v jeho
blízkosti má výrazný vliv na fyzikální vlastnosti (roztažnost,
hustota, aj.).
Běžné keramické materiály se s teplotou mírně roztahují,
aniž by při tom hrála významnou roli pórovitost. Protože
struktura keramiky je sestavena z náhodně uspořádaných
nejjednodušších stavebních (strukturních) jednotek, je její
koeficient roztažnosti odvozen od jejich množství, složení
a uspořádání. Pro první orientaci si pamatujme, že u běžné
keramiky (ozdobná, užitková, cihly, bělnina, porcelán,
šamot) se
α
pohybuje převážně v rozmezí zhruba (4,5 –
7,5)∙10
-6
. Jak se roztažnost projeví, ukážeme si na příkladu
šamotového zdiva při jeho zahřátí z teploty 20 °C na
1000 °C. Máme-li původní délkový rozměr vyzdívky 1000
mm, rozměr při ohřevu snadno vypočítáme. Uvažujme pro
šamot běžnou hodnotu
α
= 5,5∙10
-6
a vyčísleme délku podle
uvedeného vzorce. Obdržíme l
1000 °C
= 1000∙(1+5,5∙10
-6∙
∙980)
= 1005,4 mm. Jeden metr šamotového zdiva se tedy tímto
ohřevem délkově roztáhne o 0,54 cm. Porovnejme si k tomu
roztažnost běžné oceli, která za těchto podmínek ohřevu
činí 1,2 % (
α
= 1,2∙10
-6
), je tedy dvojnásobná oproti zdivu
šamotovému. Rozdílnost roztažnosti musíme respektovat
u žárobetonů s ocelovou výztuží - kontakt mezi betonem
a výztuží nesmí být pevný (výztuž se namaže olejem či obalí
papírem), jinak dojde při ohřevu k rozrušení vyzdívky.
U glazur a také u skel se koeficient
α
kvůli přesnějšímu
vyhodnocování roztažnosti vyjadřuje za použití exponentu
10
-7
, na výpočtu se však nic nemění. u glazur je zvláště
důležité sladit její roztažnost se střepovou hmotou, aby
nedošlo k výskytu prasklin či k odlupování. Je výhodné,
když
α
glazury je o něco menší (udává se zhruba o 20∙10
-7
)
než
α
střepu, protože pak napětí v glazuře je tlakové. Je-
li však tento rozdíl větší (nad 20.10
-7
) může se projevit
odlupování glazury, které začíná na hranách. Obráceně
pak v případě větší roztažnosti glazury než střepu
dochází k jejímu popraskání z důvodu tahového napětí
v ní. Koeficient
α
se u glazur pohybuje v dosti širokém
rozmezí (od 30∙10
-7
do 80∙10
-7
, nejběžněji od 50-70∙10
-7
,
u uměleckých, aventurinových glazur a u smaltů až 120∙10
-7
)
a je ovlivněn podobně jako u skel chemickým složením.
Teplotní roztažnost skel je aditivní vlastností oxidů, jak
prvně určili Winkelmann a Schott, jejichž výsledky shrnuje
Budnikov [5] do řady: Na
2
O (
α
=10∙10
-7
)-K
2
O-Al
2
O
3
-CaO-
BaO-PbO-As
2
O
3
-P
2
O
5
-ZnO-Li
2
O-SiO
2
-MgO-B
2
O
3
(
α
=0,1∙10
-7
).
Je v ní tedy mezi prvním a posledním členem 100násobný
rozdíl! Účinek jednotlivých oxidů na roztažnost glazury je
možno vyčíslit i matematicky. Výpočty roztažnosti skel podle
chemického složení se čas od času zabývají i jiní autoři, bližší
údaje jsou uvedeny v [6]. Postupně byly nalezeny koeficienty
součinitele roztažnosti dalších složek glazur – např. kryolit
7,4·10
-7
, CaF
2
2,5∙10
-7
a mnoho dalších.
Na snížení roztažnosti se nejúčinněji podílejí B
2
O
3
, MgO, SiO
2
,
Li
2
O. Zajímavé je, že roztažnost MgO je veliká (
α
=15∙10
-
6
), ve skle však působí zcela opačně. Zvláštní je i chování
Li
2
O, které svým tavicím účinkem se přiřazuje k oxidům
alkalií, avšak na rozdíl od nich výrazně snižuje roztažnost.
Jeho hlavními minerály jsou spodumen ((Li
2
O.Al
2
O
3
.4SiO
2
),
petal it (Li
2
O.Al
2
O
3
.8SiO
2
), eucryptit (Li
2
O.Al
2
O
3
.2SiO
2
)
a lepidolit (Li
2
O.Al
2
O
3
.6SiO
2
s příměsemi K a F). Majumdar
[7] při hledání nízkoroztažné glazury pro nitrid křemíku
(Si
3
N
4
) shrnuje literární údaje o teplotních koeficientech od
Hummela. u spodumenu modifikace
α
, která je stabilní do
cca 900 °C, je to hodnota 40∙10
-7
; při vyšší teplotě dochází
k přeměně na modifikaci
β
s koef. 19∙10
-7
a nad 1100 °C
zase vlivem transformace skelné fáze roztažnost s teplotou
mírně roste a dostává se na hodnotu 24∙10
-7
. Další přírodní
lithné minerály mají až neobvykle nízké koeficienty
roztažnosti – petalit jen 5∙10
-7
, eucrypit má dokonce nad
900 °C negativní koeficient teplotní roztažnosti. Sloučeniny
lithia se staly - zřejmě i pro tyto jejich zvláštní vlastnosti -
v dnešní době strategickou surovinou.
Uveďme ještě poněkud zvláštní názor [5], že význam
součinitele teplotní roztažnosti pro volbu vhodné glazury je
jen orientační a nemá se zveličovat. Nejdůležitější vlastností
je pružnost (elastičnost) glazury, neboť ta vlastně rozhoduje
o trhlinkování i při značných rozdílech
α
. Souvislost mezi
pružností a složením glazury se však dosud nepodařilo
objasnit, jak se to v této literatuře doslovně uvádí.
Na druhu glazur je závislá i jejich tvrdost. Nízká je glazur
olovnatých (4 dleMohse), vyšší u bezolovnatých (obkladačky)
a nejvyšší u glazur na tvrdý porcelán (dle Mohse až 7), neboť
glazura se u něj nesmí nožem poškrábat.
Mezi žáromateriály má nejmenší roztažnost cordierit
(2MgO.2Al
2
O
3
.5SiO
2
) a to cca 25-30∙10
-7
K
-1
. Využívá se toho
u pálicích pomůcek, v konstrukčních prvcích vypalovacích
pecí s teplotou použití do cca 1300 °C a ve varné keramice.
Obecně ke snížení roztažnosti i technologického smrštění
se používá silikátů vápenatých (wollastonit, křemičitý
vápenec), což je dnes typické pro vápenatokřemičitý střep
pórovinových obkladaček.
Na závěr vzpomínka na nechtěné použití běžné soli (ke
změkčování vody solankou) do vysocehlinitého šamotu
(A 60) namísto elektrotaveného korundu. Nešlo o záměrnou
či nezodpovědnou činnost obsluhy, ale o shodu nešťastných
náhod (jak to nakonec bylo soudně prokázano v polovině
70. let). Vypálené cihly měly povrch pokrytý zvlněným
škraloupem z tmavě hnědého povlaku. Sůl tedy vytěkala
pod vlivem teploty 1450 °C na povrch a zcela znehodnotila
výrobky. Vytěkání soli na povrch výrobků lze zdůvodnit
teplotami tání a varu - podle tabulek má sůl bod tání 800 °C,
bod varu 1420 °C. K ovlivnění smrštění či deformaci cihel
nedošlo. Střep cihel nenesl žádné znaky tvorby taveniny či
glazury. Tuto skutečnost můžeme celkem snadno vysvětlit.
Pro tvorbu glazury chyběl SiO
2
. Bez něj tvorba skelné fáze
není možná. Je to vlastně potvrzení známé skutečnosti, že
základem glazur je křemen.
Literatura
[1] Kunc J.: Jíly a jejich chování v keramice od teorie po
praxi, Silikátový svaz (2013)
[2] http://www.engineeringtoolbox.com/linear-expansion-
coefficients-d_95.html (cit. 6.1.2014)
[3] http://www.neg.co.jp/EN/pdf/20130408_release_e.pdf
(cit. 6.1.2014)
[4] http://www.iei-world.org/downloads/22nd/11Baldwin
Analysis%20of%20Fracture%20in%20Porcelain%20
Enamels.pdf (cit. 6.1.2014)
[5] Budnikov P.P.: Technologie keramiky a žárovzdorného
zboží., SNTL, Praha 1 (1960)425-426
[6] Dodd A. E.: Dictionary of ceramics. London (1967) 317
[7] Majumdar N.N.: Development of Low Expansion Glases
Coatings (1998), http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/
etd-52698-1790/unrestricted/dissertation.pdf (cit.6.1.2014)
www. s i l i s . c z