Tone und Tonkeramik

Tone sind ein wesentlicher Bestandteil der natiirlichen Boden und besitzen damit aller – groBte Bedeutung zur Erhaltung des menschlichen Lebens. Gleichzeitig liefem sie das Rohmaterial fur einige der altesten und bedeutendsten vom Menschen hervorgebrachten Erzeugnisse wie Topferwaren, Ziegel und Kacheln. Tone entstehen durch Verwitterung und Zerfall von Erstarrungsgestein. Sie bestehen hauptsachlich aus den Tonmineralen Kao – Unit, Montmorillonit und Illit, die alle drei zur Gruppe der Schichtsilicate gehoren (Кар.

9.2.3.1) . Dazu kommen Quarz, Feldspate (bzw. deren Verwitterungsprodukte, Gl. 9-1 bis 9-3), weitere Schichtsilicate wie Glimmer (bzw. deren Verwitterungsprodukte) und even – tuell Carbonatminerale (Kalkspat).

Mit Sand verunreinigter Ton wird als Lehm bezeichnet. Kaolin (Porzellanerde), mit sei – nem Hauptbestandteil Kaolinit, ist ein sehr wertvoller Ton. Er besitzt im Unterschied zu den dunkleren Tonen (gelb, rotbraun bis braun) eine weiBe Farbe und dient als Rohstoffzur Porzellanherstellung. Weniger reine Tone (keramische Tone) werden zur Herstellung von Steingut und Steinzeug benutzt. Sind Eisenoxide bzw. – oxidhydrate enthalten, werden die Tone beim Brennen braun bis rot. Aus diesen Tonen stellt man das gewohnliche Topferge – schirr und Terrakotten (poros gebrannte, unglasierte Erzeugnisse) her.

Die charakteristischen Eigenschaften der Tone wie Plastizitat, Einbindevermogen fur Was – ser und thixotropes Verhalten, lassen sich anhand der Plattchenstruktur der Tonminerale erklaren. Kaolinit bildet sechseckige dunne Plattchen mit einer Kantenlange von 0,1…3 pm
und einer Dicke < 10 nm aus, die sich strukturell von den parallelen {Al2(0H)4[Si205]}- Schichten des Tonminerals ableiten. Die Abmessungen, insbesondere die Dicke der Kaoli – nitplattchen, fallt in den Bereich kolloider Dimension.

image125

Beim Vermischen mit Wasser werden die Tone weich, plastisch und formbar. In der Ton – Wasser-Mischung sind die plattchenformigen Tonkristalle in Wassermolekule eingebettet. Deshalb gleiten sie bei Verformung aneinander vorbei, ohne dass es zur Rissbildung kommt. Der Zusammenhalt der negativ geladenen Silicatplattchen erfolgt durch die an ihrer Oberflache lokalisierten Kationen (z. B. Ca2+). Die Kationen stellen eine Verbindung zwischen den Silicatschichten iiber die Wasserschicht hinweg her. Damit sind sie letztlich fur die sich ausbildende gertistartige Anordnung der Plattchen verantwortlich, die in ihrer Struktur an ein Kartenhaus erinnert (Abb. 9.11). In die Hohlraume zwischen den Plattchen konnen sich Wassermolekule einlagem.

Keramik. Unter Keramik bzw. keramischen Erzeugnissen versteht man im klassischen Sinne alle Produkte, die durch Brennen von feinteiligen, meist feuchten geformten Tonen bei Temperaturen zwischen 900…1500°C hergestellt werden (Tonkeramik). Die Verfah – rensschritte zur Herstellung von Tonkeramik konnen wie folgt unterteilt werden: 1) Aus – wahl der Rohstoffe, Vor – und Nachbehandlung; 2) Formgebung; 3) Trocknung; 4) Kerami – scher Brand und 5) Nachbehandlung bzw. Veredlung. Die groBte Bedeutung fur tonkera – mische Erzeugnisse besitzen der Kaolinit und der Illit. Nach der Formgebung (Modellie- rung der plastischen Rohmasse mit der Topferscheibe bzw. industriell durch Strangpressen, GieB – oder Pulververdichtungsverfahren) schlieBt sich die Trocknung der geformten Werkstiicke an. Dabei muss beachtet werden, das die beim Trocknen auftretende Volu – menabnahme (Schwinden) rissfrei erfolgt. Die lineare Trockenschwindung betragt bei feuchten Formgebungsverfahren 2…6%, bei trockenen dagegen nur 0,2…2%. Beim kerami­schen Brand (Tonbrennen) laufen in Abhangigkeit von Reaktionstemperatur und Reak – tionszeit unterschiedliche Fest-Fest – und Fest-Flussig-Reaktionen ab. Die Verfestigung beim Brennprozess wird als Sinterung bezeichnet. Die verbreitetste Nachbehandlung bzw. Veredlung ist das Aufbringen einer schutzenden und/oder dekorativen Glasur (s. u.).

Prozesse beim Brennen. Brennt man eine geformte, getrocknete Tonmasse, so entweicht bis zu einer Temperatur von ~200°C sowohl das in den Hohlraumen des Geriists einge – schlossene als auch das gebundene Wasser und der Ton wird starr und sprode. Ab 450°C zerfallen die Tonminerale infolge Abgabe des „hydroxidisch gebundenen“ Wassers aus den OH-Gruppen der Oktaederschicht. Unter Volumenverminderung bilden sich amorphes reaktionsfahiges Si02 (bis zu 20%), kristallines A1203 und amorphes schuppiges Mullit der

Zusammensetzung 3 А12Оз • 2 Si02. Das mit diesen Prozessen verbundene Brennschwinden kann bis zu 20% betragen. Es lasst sich durch Vermischen mit Magerungsmitteln (gepul – verter gebrannter Ton, Quarzsand oder – mehl) weitgehend vermeiden. Die amorphen Modi – fikationen von Si02 und Mullit losen sich in der bei ca. 950°C entstehenden Schmelze auf und scheiden sich anschlieBend in Form von Cristobalit und kristallinem Mullit wieder aus. Das aus dem Feldspat bzw. aus Illit stammende K20 bildet mit dem Si02 bei Temperaturen liber 1000°C ein Glas, das nach dem Abkiihlen des keramischen Produkts die kleinen Ke- ramikteilchen verkittet. Durch Zusatz von Feldspat als Flussmittel wird die Sintertempera – tur emiedrigt.

Durch den Einsatz hochreiner Oxide, Carbide, Nitride oder Boride sowie die Verwendung neuer Technologien hat sich die Vielfalt keramischer Werkstoffe sowie ihr Anwendungs – spektrum stark erweitert, wobei die Entwicklungen noch lange nicht abgeschlossen sind. Neben den tonkeramischen Werkstojfen (Tongehalt der Rohmischung >20%) unterscheidet man deshalb noch die Gruppe der Sonderkeramischen Werkstoffe (Tongehalt 20% bis tonmineralfrei). Hierzu gehoren Oxid – und Nichtoxidkeramiken sowie die Cermets (Kera- mik-Metall-Verbundwerkstoffe). Zu ihren herausragenden Eigenschaften gehoren eine hohe Festigkeit und Harte sowie eine ausgezeichnete chemische Bestandigkeit. Sie werden auch als Hochleistungskeramiken bezeichnet.

Топкеramische Erzeugnisse. MengenmaBig besitzen die tonkeramischen Erzeugnisse die weitaus groBte industrielle Bedeutung. Sie werden hinsichtlich ihrer Scherbenhomogenitat in feinkeramische (kristalline Gefugebestandteile < 0,2 mm) und grobkeramische (Gefiige – bestandteile bzw. Poren ^ 0,2 mm) Erzeugnisse unterteilt. Eine Erhohung der Brenntempe – ratur hat stets eine Verdichtung der keramischen Struktur verbunden mit einer Abnahme der Porositat sowie eine zunehmende Festigkeit des Tonprodukts zur Folge. Grob – und feinkeramische Erzeugnisse lassen sich in solche mit porosem und solche mit dichtem Scherben einteilen. Keramische Erzeugnisse der ersten Gruppe bezeichnet man als Irden- gut (Tongut), die der zweiten als Sinterzeug (Tonzeug, Sintergut). Tab. 9.3 gibt einen U – berblick uber keramische Produkte und ihre Verwendung.

Zu den keramischen Baustojfen zahlen sowohl Ziegeleierzeugnisse wie Mauerziegel und Dachziegel als auch Steinzeugrohre, Schamottesteine und – rohre sowie Magnesit – und Do – lomitsteine. Zur Herstellung von Mauerziegeln verwendet man billige, sand – und kalkhal – tige Tone (Lehm, Mergel). Sandarmen Lehmen wird Sand als Magerungsmittel zugesetzt und die Mischung unter Zugabe geringer Mengen Wasser (ohne Zusatz von Flussmitteln) verarbeitet. Das Brennen erfolgt bei Temperaturen zwischen 950…1100°C im Ringofen. Stark eisenoxidhaltiger Lehm ergibt rote und kalkreicher Lehm gelbe Ziegel. Starker ge – brannte dichtere und festere Ziegel bezeichnet man als Klinker.

Schamottesteine gehoren zu den feuerfesten Steinen. Dazu zahlt man keramische Erzeug­nisse, die Temperaturen bis ca. 1700°C ohne Deformation aushalten. Stoffe, die noch iiber 1700°C hinaus bestandig sind, heiBen hochfeuerfest. Schamottesteine werden durch Bren­nen von rohem plastischem Bindeton, unter Magerung mit gebranntem, zerkleinertem, feu- erfestem Ton (Schamottemehl), bei 1450°C hergestellt. Sie dienen zur Auskleidung von Feuerungen bzw. Hochofen und werden mit Schamottemortel vermauert. Die feuerfesten Eigenschaften sind in erster Linie auf die Bildung von kristallinem Mullit (Smp. 1740°C) zuruckzufuhren. Die Anwendungsgrenze der Schamottesteine liegt bei 1300…1400°C.

Durch Erhohung des Tonerdegehalts uber die Zusammensetzung А12Оз * 2 Si02 hinaus, wird die Erweichungstemperatur und damit die Anwendungsgrenze feuerfester keramischer Produkte weiter erhoht. Zum Beispiel erhalt man durch Brennen natiirlicher Alumosilicate der Zusammensetzung A1203 • Si02 (z. B. Sillimanit) bei hohen Temperaturen Sillima – nitsteine. Sie erweichen erst bei 1850°C. Dynamidonsteine, die durch Brennen von ge – schmolzener Tonerde mit 10% Ton als Bindemittel hergestellt werden, halten sogar Tem­peraturen bis 1900°C aus. Durch Zusatz von Quarz (Quarzschamottesteine) kann die Er- weichungsgrenze unter 1450°C verschoben werden. Die durch Brennen eines Gemischs aus Quarzsand (gemahlener Quarzit, Dinasand) und Ton erzeugten Dina – und Silicasteine ent – halten 80…83 % Si02 sowie 20…17% A1203. Sie beginnen bereits oberhalb von 1350°C zu erweichen, sind allerdings saurefest.

Tabelle 9.3 Keramische Erzeugnisse und ihre Verwendung

Werkstoff

Brenntem­peratur (°С)

Produkte

Verwendung

Irdengut

Farbiges

Irdengut,

poroser

Scherben

900 ..

.. 1100

Mauerziegel,

Dachziegel

Hoch – und Tiefbau

(Tongut)

Steingut,

poroser

Scherben

1100..

. 1300

Irdengutfliesen und gemeines Geschiir (farbig), Steingut – fliesen und weiBes Geschirr mit Glasur

Innenausbau,

Sanitarausbau,

Haushalt

Sinterzeug

(Tonzeug)

Steinzeug,

dichter

Scherben

1200 ..

. 1300

Klinker und Riem – chen, Kanalisations – rohre

Fassadenverkleidung, Abwas – serbeseitigung

Porzellan,

dichter

Scherben

1200 ..

. 1500

Fliesen, Sanitar – artikel

Innenausbau,

Sanitarausbau,

Haushalt

Feuerfeste Steine, grobporiger Scherben

1300 ..

. 1800

Steine, Formstucke

Auskleidung von Ofen und Feuerungen, Zementherstellung

Porzellan und Steinzeug besitzen einen dichten Scherben, d. h. es uberwiegt die Glas – phase. Porzellan wird gewohnlich in Hartporzellan (-50% Kaolin, -25% Quarz, -25% Feldspat; Brenntemperatur 1400…1500°C) und Weichporzellan (-25% Kaolin, -45% Quarz und -30% Feldspat; Brenntemperatur 1200…1300°C) unterteilt. Feinporzellane (Meiliner Porzellan und chinesisches Porzellan) und Sanitarporzellane gehoren zu den Weichporzellanen.

Oberflachenveredlung. Die Oberflache der gebrannten, einfarbigen tonkeramischen Pro­dukte ist meist rau. Eine Glattung und eventuelle Einfarbung der Oberflache lasst sich
durch Aufschmelzen von Glasuren erreichen. Glasuren sind glasartige Uberztige, die ne – ben farbgebenden Bestandteilen auch Trubungsmittel enthalten konnen. Die mit Wasser angeriihrten Gemische (Schlicker) aus Quarz, Feldspat, Marmor und Kaolin werden durch Tauchen, Spritzen oder BegieBen auf die Oberflache aufgebracht und unterhalb der Schmelztemperatur der Grundsubstanz (bis 1400°C) gesintert. Dabei entsteht der glasige Uberzug. Die Farbigkeit wird durch Zumischen bestimmter Metalloxide bewirkt (Cobalt – oxid blau, Eisenoxid rot, Chromoxid grUn).