Einleitung, Übersicht. Rohstoffe. Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung. Formgebung. Trocknen, Brennen. Eigenschaften, Keramikarten

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2 Einleitung, Übersicht Rohstoffe Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Formgebung Trocknen, Brennen Eigenschaften, Keramikarten Zusammenfassung Literatur

3 Einleitung, Übersicht Einleitung, Übersicht Rohstoffe Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Formgebung Trocknen, Brennen Eigenschaften, Keramikarten Zusammenfassung Literatur

4 Einleitung, Übersicht Tonkeramik/Tonwaren Was ist Keramik? Definition: kristalline, thermisch und chemisch stabile, nichtmetallische anorganische Festkörper durch Hochtemperatur-Prozesse gebrauchsfertig gemacht Eigenschaften durch Mikrostruktur (Gefüge) bestimmt

5 Einleitung, Übersicht Tonkeramik/Tonwaren Was ist Keramik? Definition: kristalline, thermisch und chemisch stabile, nichtmetallische anorganische Festkörper durch Hochtemperatur-Prozesse gebrauchsfertig gemacht Eigenschaften durch Mikrostruktur (Gefüge) bestimmt Einteilung nach Chemismus: Tonkeramik wirtschaftlich wichtigste Gruppe Hauptbestandteil > 20 % Tonerde Rohstoff: feinteilige, meist feucht geformte Tone umfangreiche Formgebungsmöglichkeiten durch Glühen (Brennen) bei o C hergestellt

6 Einleitung, Übersicht Tonkeramik/Tonwaren Was ist Keramik? Definition: kristalline, thermisch und chemisch stabile, nichtmetallische anorganische Festkörper durch Hochtemperatur-Prozesse gebrauchsfertig gemacht Eigenschaften durch Mikrostruktur (Gefüge) bestimmt Einteilung nach Chemismus: Tonkeramik wirtschaftlich wichtigste Gruppe Hauptbestandteil > 20 % Tonerde Rohstoff: feinteilige, meist feucht geformte Tone umfangreiche Formgebungsmöglichkeiten durch Glühen (Brennen) bei o C hergestellt Sonderkeramiken Oxidkeramik: BeO, MgO, Al 2 O 3, TiO 2, ZrO 2 Elektro- und Magnetkeramiken: BaTiO 3, M II Fe 2 O 4 (Ferrite) Nichtoxidkeramiken: Si 3 N 4, SiC, BN

7 Einleitung, Übersicht Tonkeramik/Tonwaren Gefüge von Tonkeramik Bestandteile: Quarz-Körner (SiO 2) Korund-Kristalle (Al 2O 3) Mullit-Nadeln und -Blöcke (3 Al 2O SiO 2) Glas (x K 2O + y SiO 2 + z Al 2O 3)

8 Rohstoffe Einleitung, Übersicht Rohstoffe Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Formgebung Trocknen, Brennen Eigenschaften, Keramikarten Zusammenfassung Literatur

9 Rohstoffe Übersicht Rohstoffe allgemein 1. Ton (Kaolinit, Al 2(OH) 4[Si 2O 5]; Illit)

10 Rohstoffe Übersicht Rohstoffe allgemein 1. Ton (Kaolinit, Al 2(OH) 4[Si 2O 5]; Illit) 2. Flußmittel (Feldspäte, z.b. K[AlSi 3O 8])

11 Rohstoffe Übersicht Rohstoffe allgemein 1. Ton (Kaolinit, Al 2(OH) 4[Si 2O 5]; Illit) 2. Flußmittel (Feldspäte, z.b. K[AlSi 3O 8]) 3. Magerungsmittel (Quarz, SiO 2) 4. (ggf. Brennhilfsmittel)

12 Rohstoffe Magerungsmittel ➂ Magerungsmittel: Quarz (SiO 2 ) verhindern starken Schwund beim Brennen Struktur: SiO 4/2 -Tetraedergerüste Quarz (Normaltemperaturform) Cristobalit (> 1470 o C)

13 Rohstoffe Flussmittel ➁ Flußmittel: Feldspäte zur Erniedrigung der Sintertemperatur Stoffe: Feldspäte, z.b. Orthoklas K[AlSi 3O 8] Struktur: Gerüstalumosilicate: K + + [AlSi {z 3 O } 8] 4

14 Rohstoffe Tone ➀ Keramische Tone keramische Tone Mischung aus 1. Kaolinit: Al 2(OH) 4[Si 2O 5] weiss sehr rein, z.b. für Porzellan: Kaolin sehr dünne Blättchen (ca. 10 nm dick, einige µm breit) dioktaedrisches T-O-Zweischichtsilicat Intercalation: Quellung, Schrumpfung, Bindevermögen quellfähig und bildsam in der Natur häufig auch synthetisch herstellbar (Kieselsäure (H 4 SiO 4 ) + Al(OH) 3 ) 2. Illit: K y(h 2O) n[al 2(OH) 2Si 4 yal yo 10] y = 0.7 bis 0.9 gelb, rot oder braun, durch Fe auf Al-Plätzen T-O-T-Dreischichtsilicat, dioktaedrisch

15 Rohstoffe Tone Strukturen von Schichtsilicaten Schicht [Si 2O 5] 2 1 T

16 Rohstoffe Tone Strukturen von Schichtsilicaten Schicht [Si 2O 5] 2 [SiO 3O 2] 2 1 T 2 T

17 Rohstoffe Tone Strukturen von Schichtsilicaten Schicht [Si 2O 5] 2 [SiO 3O 2] 2 1 T 2 3 T T

18 Rohstoffe Tone Strukturen von Schichtsilicaten Schicht [Si 2O 5] 2 [SiO 3O 2] 2 OH in Lücken 1 T 4 T 2 3 T T

19 Rohstoffe Tone Strukturen von Schichtsilicaten Schicht [Si 2O 5] 2 [SiO 3O 2] 2 1 T 4 5 T O T OH in Lücken zweite OH - Schicht 2 3 T T

20 Rohstoffe Tone Strukturen von Schichtsilicaten Schicht [Si 2O 5] 2 [SiO 3O 2] 2 1 T 4 5 T O T OH in Lücken zweite OH - Schicht 3 Oktaeder pro Formeleinheit 2 3 T O 6 T T

21 Rohstoffe Tone Strukturen von Schichtsilicaten Schicht [Si 2O 5] 2 [SiO 3O 2] 2 1 T 2 3 T 4 5 T O T O 6 T T OH in Lücken zweite OH - Schicht 3 Oktaeder pro Formeleinheit davon 2 mit Al 3+ besetzt Al 2(OH) 4[Si 2O 5] Gesamtstruktur

22 Rohstoffe Tone Strukturen von Schichtsilicaten Tetraederschicht: [Si 2O 5] 2 1 OH in den Lücken zwischen den Tetraederspitzen dichte Kugelschicht A 3 OH (Schicht B) 2 Al in Oktaederlücken Summe: Al 2(OH) 4[Si 2O 5] O T

23 Rohstoffe Tone Übersicht Schichtsilicate tri oktaedrisch di Serpentin Kaolinit Tonminerale kationenreich Talk Pyrophyllit Phlogopit Muskovit Chlorit Sudoit Glimmer kationenarm 2 Schicht S. 3 Schicht S. 4 Schicht S.

24 Rohstoffe Tone Übersicht Schichtsilicate nicht hydratisiert hydratisiert T dioktaedrisch trioktaedrisch dioktaedrisch trioktaedrisch Si Kaolinit Serpentin Hydrohalloysit - Al 2 [Si 2 O 5 (OH) 4 ] Mg 3 [Si 2 O 5 (OH) 4 ] Al 2 [Si 2 O 5 (OH) 4 ] (H 2 O) 2 Si Pyrophyllit Talk Montmorillonit Saponit Al 2 [Si 4 O 10 (OH) 2 ] Mg 3 [Si 4 O 10 (OH) 2 ] Mg 0.33 Al 1.67 [Si 4 O 10 (OH) 2 ] (Mg, Fe) 3 [Si 4 O 10 (OH) 2 ] (Ca, Na) x(h 2 O) n (Ca, Na) x(h 2 O) n Si/Al Glimmer Vermiculit-Reihe Muskovit Biotit Muskovit (Illit) KAl 2 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ] K(Mg, Fe) 3 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ] (Mg, Al, Fe) 2 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ] (Mg, Fe) 3 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ] (Mg, Ca, K) x(h 2 O) n (Mg, Ca) x(h 2 O) n Al) 3 [(Al/Si) 4 O 10 (OH) 2 Si Si/AlSudoit Chlorit - - Al 2 [AlSi 3 O 10 (OH) 2 ] (Mg, Fe, ] - - Al 2.33 (OH) 6 (Mg, Fe) 3 (OH) 6

25 Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Einleitung, Übersicht Rohstoffe Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Formgebung Trocknen, Brennen Eigenschaften, Keramikarten Zusammenfassung Literatur

26 Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Zusammensetzung Zusammensetzung der Massen Feldspat Dental porzellan Weich porzellan 30 Hart porzellan chem. techn. Porzellan Steinzeug Steingut 10 Kaolin Lagediagramm Kaolin - Quarz - Feldspat Quarz

27 Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Zusammensetzung Aufbereitung der Rohstoffe Kaolin (Ton) Naßmahlen Klassieren Absetzen Filtrieren Pressen Quellen H 2 O Sand (Quarz) Waschen Trocknen Feinmahlen Lösen +Mischen Filtrieren Pressen Mauken Brechen Trocknen Klassieren Mahlen Feldspat

28 Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Zusammensetzung Aufbereitung der Rohstoffe Kaolin (Ton) Naßmahlen Klassieren Absetzen Filtrieren Pressen Quellen H 2 O Sand (Quarz) Waschen Trocknen Feinmahlen Lösen +Mischen Filtrieren Pressen Mauken Brechen Trocknen Klassieren Mahlen Feldspat Kaolin-Abbau im Tagebau

29 Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Zusammensetzung Aufbereitung der Rohstoffe Kaolin (Ton) Naßmahlen Klassieren Absetzen Filtrieren Pressen Quellen H 2 O Sand (Quarz) Waschen Trocknen Feinmahlen Lösen +Mischen Filtrieren Pressen Mauken Brechen Trocknen Klassieren Mahlen Feldspat Kaolin-Abbau im Tagebau Zerkleinern: Brecher, Mühlen

30 Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Zusammensetzung Aufbereitung der Rohstoffe Kaolin (Ton) Naßmahlen Klassieren Absetzen Filtrieren Pressen Quellen H 2 O Sand (Quarz) Waschen Trocknen Feinmahlen Lösen +Mischen Filtrieren Pressen Mauken Brechen Trocknen Klassieren Mahlen Feldspat Kaolin-Abbau im Tagebau Zerkleinern: Brecher, Mühlen Klassieren (Korngrößen: < 40µm) Schlämmverfahren Hydrozyklone

31 Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Zusammensetzung Aufbereitung der Rohstoffe Kaolin (Ton) Naßmahlen Klassieren Absetzen Filtrieren Pressen Quellen H 2 O Sand (Quarz) Waschen Trocknen Feinmahlen Lösen +Mischen Filtrieren Pressen Mauken Brechen Trocknen Klassieren Mahlen Feldspat Kaolin-Abbau im Tagebau Zerkleinern: Brecher, Mühlen Klassieren (Korngrößen: < 40µm) Schlämmverfahren Hydrozyklone Trocknen Kläreindicker Filterpressen Mischen: in Mühlen, Kneter usw...

32 Formgebung Übersicht Einleitung, Übersicht Rohstoffe Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Formgebung Trocknen, Brennen Eigenschaften, Keramikarten Zusammenfassung Literatur

33 Formgebung Übersicht Formgebungsverfahren Giessen Kaolin (Ton) Naßmahlen Klassieren Absetzen Filtrieren Pressen Quellen Naßmahlen Verschlickern Gießen Abschrumpfen Entformen Schlickergiessen H 2 O Sand (Quarz) Waschen Trocknen Feinmahlen Lösen +Mischen Filtrieren Pressen Mauken Brechen Trocknen Klassieren Mahlen Feldspat Pressen Schneiden Antrocknen Eindrehen Überdrehen Drehen Plastische Formgebung (Drehen und Rollen) Extrudieren Isostatisches Pressen...

34 Formgebung Giessen Formgebungsverfahren I: Giessen flüssigere Gießmassen: ca % H 2O Schlicker Schlicker Schlicker Vollguß, Hohlguß, Kernguß (je nach Produkt) Gipsformen, entziehen dem Schlicker Wasser Trocknungsschrumpfung (Grünling leicht aus Form ablösbar, Abschrumpfen ) Gipsform Vollguß Hohlguß Kernguß

35 Formgebung Plastische Formgebung Formgebungsverfahren II: Plastische Formgebung (Drehen und Rollen) Überdrehen Töpferscheibe Rollerkopf Hubel scheiben Gips (Profilunterlage) Eindrehen festere Massen: 22-24% H 2O Ausnutzung der Bildsamkeit (Form bleibt bestehen) nur für rotationssymmetrische Teile von Hand: Töpferscheibe großtechnisch: Strangpressen Abschnitte (Hubel) passender Größe Drehverfahren (Rollerkopf schneller als Form) Überdrehen von Flachteilen (z.b. Teller) Eindrehen von Hohlteilen (Tassen, Schüsseln)

36 Formgebung Weitere Verfahren Formgebungsverfahren III: Weitere Verfahren Druckgefäß Druckflüssigkeit Füllgut flexible Form Stützform Strangpressen/Extrudieren Pulververdichtung Massen mit 1-4 % H 2 O billig, da Trockenverarbeitung Pressen isostatisches Pressen: Spritzguss für kompliziertere Teile (Elektrokeramik) Isostatisches Pressen Foliengiessen...

37 Trocknen, Brennen Einleitung, Übersicht Rohstoffe Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Formgebung Trocknen, Brennen Eigenschaften, Keramikarten Zusammenfassung Literatur

38 Trocknen, Brennen Trocknung Trocknung Giessen Kaolin (Ton) Naßmahlen Klassieren Absetzen Filtrieren Pressen Quellen Naßmahlen Verschlickern Gießen Abschrumpfen Entformen H 2 O Sand (Quarz) Waschen Trocknen Feinmahlen Lösen +Mischen Filtrieren Pressen Mauken Trocknen (Glasieren) Brennen Nachbereiten Brechen Trocknen Klassieren Mahlen Feldspat Pressen Schneiden Antrocknen Eindrehen Überdrehen Drehen Porzellan (Tasse)

39 Trocknen, Brennen Trocknung Trocknung Giessen Kaolin (Ton) Naßmahlen Klassieren Absetzen Filtrieren Pressen Quellen Naßmahlen Verschlickern Gießen Abschrumpfen Entformen H 2 O Sand (Quarz) Waschen Trocknen Feinmahlen Lösen +Mischen Filtrieren Pressen Mauken Trocknen (Glasieren) Brennen Nachbereiten Brechen Trocknen Klassieren Mahlen Feldspat Pressen Schneiden Antrocknen Eindrehen Überdrehen Drehen Porzellan (Tasse) Entfernung von H 2O oder organischer Bindemittel sehr langsam (bis zu 24 h, je nach Scherbendicke) Gefahr: Rißbildung Trockenschwund!

40 Trocknen, Brennen Öfen Praxis des Brennens, Öfen Maximaltemperaturen: 1200 bis 1400 o C typische Schrumpfung ca. 20% früher: einfache Rundöfen/Muffeln heute kontinuierliche Tunnelöfen bis 150 m lang Durchfahrt des Brennguts auf Wagen (Verweilzeit: bis zu 100 h) auch kontinuierliche Ringöfen bewegliches Feuer

41 Trocknen, Brennen Brennen (Chemie!) Chemische Prozesse beim Brennen bis ca. 450 o C 3. Magerungsm. 1. Ton 2. Flußmittel Quarz Sand 1550 SiO 2 SiO 2 Quarz Sand Al 2O 3 Korund Al 2(OH) 4 [Si 2O 5] Kaolinit Al 6Si 2O13 (amorph) SiO 2 Quarz Glas K[AlSi 3O 8] Feldspat 950 H 2 O 450 C K[AlSi 3O 8] Feldspat ~ ca. 20% Volumenverlust (Schrumpfung) Al 2(OH) 4[Si 2O 5] 450 o C H 2 O Al 2O 3 {z } Korund,kris. + 3Al 2O 3 2SiO {z } 2 Mullit,amorph + SiO 2 {z} Glas,amorph Mullit (Al 6Si 2O 13 = 3 Al 2O SiO 2 ) als amorphe Phase

42 Trocknen, Brennen Brennen (Chemie!) Chemische Prozesse beim Brennen 3. Magerungsm. 1. Ton 2. Flußmittel SiO 2 Quarz Sand 1550 Al 2(OH) 4 [Si 2O 5] Kaolinit K[AlSi 3O 8] Feldspat 950 H 2 O 450 C SiO 2 Quarz Sand Al 2O 3 Korund Al 6Si 2O13 (amorph) SiO 2 Quarz Glas K[AlSi 3O 8] Feldspat Kristalli sation ~ Glas Bildung >1000 C SiO 2 Quarz Sand 1550 ab ca o C Al 2O 3 Korund 2045 Al 6Si 2O13 K[AlSi no 2(n+1) ] Mullit (Nadeln) 1850 K Silicatglas Feldspatverflüssigung: Feldspat (Flußmittel) löst alle amorphen Anteile (SiO 2-Glas + Mullit ) Mullit kristallisiert Nadel-förmig (verfilzte Nadeln) K-Alumiosilicat-Gläser verkitten die Kristallite

43 Trocknen, Brennen Brennen (Chemie!) Mullit Al 6 Si 2 O 13 O Si... Nadelachse... O... Nadelachse... Si Bandsilicat, senkrecht zu Nadelachse Gesamtstruktur mit Al Polyedern Bandsilicat: Al 6O 8[Si 2O 5] Al 3+ : Oktaeder (grün, CN=6) trigonalen Prismen (gelb, CN=5) nur Silicat und Gesamtstruktur

44 Eigenschaften, Keramikarten Einleitung, Übersicht Rohstoffe Aufbereitung der Rohstoffe, Massen-Herstellung Formgebung Trocknen, Brennen Eigenschaften, Keramikarten Zusammenfassung Literatur

45 Eigenschaften, Keramikarten Allgemeines Allgemeine Eigenschaften von Silicatkeramik mechanisch: hohe Druckbelastbarkeit niedrige Zugbelastbarkeit sprödes Verhalten

46 Eigenschaften, Keramikarten Allgemeines Allgemeine Eigenschaften von Silicatkeramik mechanisch: hohe Druckbelastbarkeit niedrige Zugbelastbarkeit sprödes Verhalten thermisch: hohe Temperatur-Beständigkeit niedrige Temperatur-Wechselbeständigkeit schlechte thermische Leitfähigkeit

47 Eigenschaften, Keramikarten Allgemeines Allgemeine Eigenschaften von Silicatkeramik mechanisch: hohe Druckbelastbarkeit niedrige Zugbelastbarkeit sprödes Verhalten thermisch: hohe Temperatur-Beständigkeit niedrige Temperatur-Wechselbeständigkeit schlechte thermische Leitfähigkeit elektrisch: schlechte elektrische Leitfähigkeit

48 Eigenschaften, Keramikarten Allgemeines Allgemeine Eigenschaften von Silicatkeramik mechanisch: hohe Druckbelastbarkeit niedrige Zugbelastbarkeit sprödes Verhalten thermisch: hohe Temperatur-Beständigkeit niedrige Temperatur-Wechselbeständigkeit schlechte thermische Leitfähigkeit elektrisch: schlechte elektrische Leitfähigkeit chemisch: unlöslich in Wasser schwerlöslich in Säuren, Basen und Salzlösungen toxikologisch absolut unbedenklich

49 Eigenschaften, Keramikarten Einteilung klassischer Silicatkeramik Einteilung klassischer Silicatkeramik... nach Korngrößen: grobkeramisch (Gefügebestandteile > 0.2 mm) feinkeramisch (Gefügebestandteile < 0.2 mm)... nach Wasserdichtigkeit (WAF=Wasseraufnahme) porös (wasserdurchlässig) (WAF > 6%) Tongut dicht (wasserundurchlässig) (WAF < 6%) Tonzeug Steinzeug (Scherben nicht durchscheinend) Porzellan (Scherben durchscheinend)

50 Eigenschaften, Keramikarten Tongut (porös) Tongut (porös) Baustoffe (dick) Ziegelei-Erzeugnisse (nicht weiß brennend) z.b. (Dach)-Ziegel Rohmaterial Lehm (Sand + Kaolin) Verarbeitung meist in Strangpressen geringe Dichte gute Wärmedämmung Feuerfest-Erzeugnisse z.b. Schamottsteine, Futter für Zement-Drehrohröfen hoher Erweichungspunkt ( o C) Geschirr (dünn) Töpferei-Erzeugnisse (nicht weiß brennend) irdenes Haushaltsgeschirr, Blumentöpfe, Majolika, Fayencen, Ofenkacheln Steingut (weiß brennend) z.b. Sanitärkeramik (Kloschüsseln, Waschbecken) häufig zwei Brände: 1. Biskuit -Brand 2. Glasur- oder Glattbrand danach dicht!

51 Eigenschaften, Keramikarten Tonzeug (dicht) Tonzeug (dicht) Baustoffe (dick) Steinzeug z.b. Klinker, Fliesen, Kanalrohre Geschirr (dünn) Steinzeug: gröbere Haushaltsgegenstände, Kaffeebecher usw. Porzellan: Hartporzellan (hohe Brenn-Temperatur, geringe Verzierbarkeit) Weichporzellan/China-Porzellan (niedrigere Brenn-Temperatur, bessere Verzierbarkeit)

52 Zusammenfassung Zusammenfassung Tone (Kaolinit, ein Schichtsilicat) + Magerungsmittel (Quarz SiO 2) + Flußmittel (Feldspat) (!alle natürlich!) Mahlen, Quellen bildbare Massen vielfältige Formgebung (Giessen, Drehen,...) Brennen bis 450 o C: Korund und Mullit/Quarz als Gläser (amorph) > 1000 o C: faserförmiger Mullit (verfilze Nädelchen), mit Glas verkittet Eigenschaften verschiedene Silicatkeramiken und ihre Verwendung

53 Literatur Literatur und Links Lehrbücher Chemie Holleman/Wiberg: Anorganische Chemie, de Gruyter (2007). H.-H. Emons et al.: Technische anorganische Chemie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie GmbH, Leipzig (1990). M. Okrusch, S. Matthes, Mineralogie, Springer (2004). F. Liebau: Structural Chemistry of Silicates, Springer (1985). Technologie Links G. W. Phelps, J. B. Wachtman: Ceramics, General Survey, 2005 (in Ullmann: Encyclopedia of Chemical Technology, Wiley VCH). Winnacker/Küchler: Chemische Technologie, Bd. II, Hanser Verlag, München (2004). Seminare/ton tasse metall VL.pdf (diese Präsentation) 0.html (Vorlesung Silicat-Chemie, CR) (techn. Keramik, schöne Videos) (Fa. Seltmann in Weiden)

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