Связующие для керамических масс

Dr. Nilo Tozzi

Абстракт

Обзор основных типов органических и неорганических связующих, используемых в разных отраслях керамической промышленности.

Статья

Связующие - это вещества, которые улучшают механическую прочность сырца, с тем чтобы он мог выдержать дальнейшие производственные операции, производимые до обжига, без разрушения. Во многих случаях добавление связующего в массу просто необходимо, так как без него некоторые производственные процессы становятся невозможными. Например, в процессах прессования порошковых масс добавление связующих освобождает формование от пластичности массы.

В традиционной керамике используют многие типы связующих, в том числе природные продукты, например, целлюлозу и глины, и синтетические продукты, например полиакрилаты и поливиниловый спирт.

Хорошее связующее для массы должно обладать следующими свойствами:

• У него должен быть минимальный зольный остаток
• Оно должно легко выгорать при низких температурах
• Оно не должно быть абразивным
• Оно должно улучшать механическую прочность массы
• Оно не должно вызывать прилипания массы к форме
• Оно должно хорошо диспергироваться в массе
• Оно не может быть токсичным
• Оно не должно влиять на процесс глазурования
• И оно должно быть максимально дешевым.

Неорганические связующие

У неорганических связующих есть важные свойства: они дешевы и не подвержены атакам микроорганизмов. Другой большой плюс - они никогда не дают "черную сердцевину".

Силикат натрия

Его основное применение - разжижитель литейных масс. Кроме того, он улучшает прочность высохших изделий в случае прессования или экструзии. Поведение силиката натрия меняется с химическим составом, но, в случасе пресс-порошков для плитки, это лучшее решение, если имеется склонность к образованию "черной сердцевины".

Алюмосиликаты магния

Доступные продукты имеют разный химический состав, поскольку получают их из природных чрезвычайно пластичных минералов, называемых смектитами. Частицы смектитов небелые, имеют коллоидные размеры. При добавлении этого связующего к шликеру в количестве 0.5-5% механическая прочность образцов возрастает пропорционально. Связующие менее эффективны по сравнению с другими, но у них есть важная особенность: отсутствует миграция при сушке, так что проблем при глазуровании становится меньше.

Бентонит

Это очень пластичный природный материал, минералогической составляющей которого является монтмориллонит. Он используется в концентрации 0.5-3.0%,  однако он увеличивает вязкость шликера при помоле, поэтому его максимальное количество определяется как свойствами материала, так и приемлемым уровнем вязкости. Он улучшает прочность сырца и высушенного сырца и так же не мигрирует при сушке.

Органические связующие

Часто органические связующие представляют собой полимеры с более или менее длинной цепью, в которой имеются полярные группы. Большинство органических связующих растворимо в воде и ведет себя как поверхностно-активное вещество, улучшая контакт между жидкой и твердой фазой. Короткие полимеры адсорбируются на поверхности частиц, во время сушки вода удаляется, и на поверхности частиц формируются трехмерные структуры с водородной связью. Образование химических связей дает большой вклад в  упрочение трехмерной структуры, и прочность увеличивается пропорционально содержанию связующего. Связующие с длинной цепью имеют меньшую растворимость в воде, но могут образовывать эмульсии. Во время сушки они не адсорбируются на поверхности частиц, но тоже способны образовывать трехмерные структуры с водородной связью.

Обычно органические связующие не улучшают механическую прочность сырца до сушки. Сухая прочность растет пропорционально добавленному количеству связующего, на практике прочность может увеличится на 30%. Теоретически органические связующие должны выгореть при низких температурах с образованием минимального количества остатка. Однако с их введение увеличивается общее содержание органических веществ в массе, поэтому довольно часто возникает проблема черной сердцевины.

Органические связующие часто подвержены разложению бактериями и возникает необходимость добавления антибактериальных средств. Кроме масс, органические связующие используют в глазурях и ангобах для улучшения адгезии к поверхности керамики, предотвращения седиментации и улучшения реологических характеристик.

Наиболее распространенные связующие:

Поливиниловый спирт (ПВС)

Обычно используют для глазурей, в процессе глазурования, перед проведением шелкографической печати - водный раствор ПВС напыляют на поверхность глазури, которую предполагается декорировать. Это сильное ПАВ, связующая способность тесно связана со смачивающей способностью. ПВС с низкой молекулярной массой обладают меньшей вязкостью и минимально влияют на вязкость глазурей или шликера. ПВС стабилен, не ферментируется. Часто товарной формой ПВС является его водный раствор.

Крахмал

Крахмалы - порошковые материалы из группы углеводов, образующие коллоидные суспензии в воде и имеющие сильные связующие свойства. Некоторые модифицированные крахмалы поставляются в жидком виде.

Часто крахмалы не растворяются полностью в воде из-за большого молекулярного веса, и это обстоятельство препятствует миграции в процессе сушки. Возможно смешивание крахмала и сухих керамических порошков, после чего смесь можно улажнить, отформовать и высушить. Крахмалы очень быстро разрушаются ферментами. Химические производные крахмалов имеют свойства, близкие к эфирам целлюлозы, но и они неустойчивы к действию бактерий.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)

КМЦ - желтовато-белый растворимый в воде порошок Может мигрировать при сушке, поэтому его распределение в теле изделия будет неоднородным. Существуют разные виды КМЦ с разным молекулярным весом. КМЦ-продукты со средним и высоким молекулярным весом являются более сильными связующими, но они увеличивают вязкость шликеров и поэтому не могут быть использованы свыше некоторых концентраций, так что их упрочняющее действие реализуется не полностью. КМЦ улучшает пластичность и механические характеристики сухого изделия, полностью выгорает при обжиге, но относительно дорого стоит.

Декстрин

Это желтоватый порошок, получаемый при обработке крахмала небольшими количествами кислоты. Декстрин - сильное связующее, иногда его применяют для гранулирования глазурей сухого нанесения и в качестве глазурного клея, улучшающего сцепление с керамической подложкой. Декстрин тоже улучшает пластичность глинистой массы.

Восковые эмульсии

Восковые эмульсии ведут себя как смазки в сырце и как связующее в сухом изделии. Наиболее широко их использую при производстве технической глиноземистой керамики.

Полиэтиленгликоли (ПЭГ)

ПЭГ с низким молекулярным весои используют в качестве пластификатора и смазки. Высокомолекулярные ПЭГ похожи на консистентные смазки, их используют как связующее и пластификатор при прессовании. Они растворяются в воде и поэтому часто применяются для приготовления печатных красок.

Лигносульфонаты

Лигносульфонаты представляют собой желтоватые порошки переменного состава с переменным молекулярным весом. Это полимеры, которые можно модифицировать добавлением в молекулу органических и неорганических групп. Лигносульфонаты являются анионными производными лигнина, они растворяются  в воде и проявляют поверхностно-активные свойства. Лигносульфонаты очень эффективны в увеличении механической прочности сырца и сухой прочности. В добавок они действуют в качестве смазки при экструзии и прессовании. Добавка лигносульфонатов в керамическую массу может составлять от 0.1 to 2.0%, при этом они достаточно дешевы. 1% лигносульфоната при прессовании плитки может удвоить прочность, правда, при этом возможно появление черной сердцевины. Их часто используют для уменьшения усадки при сохранении уровня механической прочности масс со сниженным содержанием пластичной глины.

Метилцеллюлоза

Производное целлюлозы, получаемое из целлюлозы обработкой под давлением метиленхлоридом в присутствии щелочей. Состав варьируется в зависимости от длины цепи. Это неионогенный полимер, растворяющийся в воде при низких температурах. Метилцеллюлоза стойка к действию микроорганизмов, но имеет тенденцию к образованию пены. В зависимости от длины цепи, растворы метиллцеллюлозы имеют разную вязкость. кроме того, она проявляет разжижающие свойства. Метилцеллюлозу часто используют как временную связку в производстве огнеупоров и другой технической керамики, так как она одновременно является смазкой, увлажнителем и пластификатором. Гидроксиэтилцеллюлоза - похожий материал, но с меньшим пенообразованием.

Парафины

Смесь парафинов и карнаубского воска широко используется как связующее при производстве специальных изделий при холодном изостатическом или обычном прессовании. Состав смеси определяется задачами точности размеров и формой кромок. Эти смеси производятся и в виде эмульсий для некоторых специальных задач, которые выполняют функции связующего, пластификатора и смазки.

Полиакрилаты

Натриевая и аммониевая соли полиакриловой кислоты растворимы в воде, они в основном используются как сильные разжижители. Они могут выступать и в роли связующих, однако их стоимость резко ограничивает применение в этом качестве. Эфиры полиакрилатов нерастворимы в воде, но имеют похожие свойства.