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Werkstoffe und Kreisläufe (Fach) / Glas und Keramik (Lektion)

Glas und Keramik

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  • Definition & Kennzeichen Keramische Werkstoffe alle nichtmetallischen, anorganischen Werkstoffekristallin oder amorph Kennzeichenhohe Druckfestigkeithohe chemische Beständigkeithohe Schmelztemperaturen
  • Unterscheid "keramisch", "Glas", "Keramik" "keramisch": kristalline Stoffe"Glas": amorphe Stoffe"Keramik" für Stoffe, die aus Ton geformt und gebrannt sind
  • Übergreifende Begriffsbestimmung für keramische Werkstoffe Kohlenstoffkeramik mit Diamant, Graphit, Glas, Faden Hochtemperatursteine: Slikatsteine zum Ausmauern von Schmelzöfen, Magnesitsteine Schamottsteine Glas, glaskeramische Werkstoffe Zement, Beton Porzellan, keramische Massen aus Ton
  • Definition: Ton, keramische Masse, rohe Scherben, gebrannte Scherben Tonjedes in der Natur vorkommende Gestein, das sich hauptsächlich aus Al2O3 und SiO2 zusammensetztkeramische MasseRohstoffgemenge in festem Verhältnis gemischt, aufbereitet, aber noch nicht geformtrohe Scherbenzum Gegenstand verformte keramische Massegebrannte ScherbenGegenstand nach dem Brennen
  • Einteilung der keramischen Massen dichte Scherben, Sintergut-Porzellan-Steinzeug poröse Scherben, Irdengut-Steingut-Töpfereierzeugnisse-feuerfeste Massen (Schamottsteine)-nicht feuerfeste Massen (Baustoffe, Ziegelerzeugnisse)
  • Porzellan -Scherben -Rohstoffe -Hartporzellan -Weichporzellan -Besonderheiten Scherbendicht gesintert, weiß brennend, durchscheinend, melodisch hellklingend RohstoffeKaolin → Temperaturwechselbeständigkeit, chemische Resistenz,Quarz → mech. Festigkeit,Feldspat → TransparenzHartporzellan50% Kaolin, 25% Quarz, 25% Feldspat, bei 1400-1500 °C gebrannt → hohe mechanische FestigkeitWeichporzellan25% Kaolin, 45% Quarz, 30% Feldspat, bei 1200-1300 °C gebrannt → tranparenter, leichter dekorierbar, da Farbauswahl durch geringere Brenntemperaturen größerBesonderheitenMehrfachbrand (Scherben, Glasur)
  • Steinzeug -Scherben -Rohstoffe -Besonderheiten -Produkte Scherbennicht weiß aber hellbrennend, nicht durchscheinend, hell klingend, wasserundurchlässig, dickwandiger als PorzellanRohstoffeKlinkertone, evtl. Quarz, Feldspat, Pegmatit (Feldspat, Quarz, Glimmer)BesonderheitenBrenntemperatur 1220-1280 °CEinmalbrand: Scherben und Glasur auf einmal gebranntSalzglasur: Scherben mit oder ohne Dekoration wird normal gebrannt, gegenEnde des Glattbrandes → bestimmte Menge Salz in Ofen eingebracht, Salzdämpfe reagieren mit Scherbenoberfläche → Alkali-Al-Silizium-Verbindung: Schicht dünner, fester als herkömmliche Glasur, keine Gefahr der RißbildungProdukteMaß-, Mostkrüge, Einmachtöpfe, Klinker, Bodenfliesen chemisch-technische Erzeugnisse, Sanitärkeramik (säurebeständig)Feinsteinzeug: Wedgewoodgeschirr, Kunstgewerbe
  • Steingut -Scherben -Rohstoffe -Besonderheiten -Produkte Scherbenweiß brennend, nicht durchscheinend, tönern klingend, wasseraufsaugend, porösRohstoffefeuerfester, eisenoxidarmer Ton, evtl. Quarz, KaolinWeichsteingut: bis 30 % Kalkspat CaCO3Hartsteingut: bis 35 % Feldspat Al Si O 3 8MischsteingutBesonderheitenFormgebung auf Töpferscheibe, durch Gießen, Rohbrand -bei Weichsteingut 1100-1300 °C-bei Hartsteingut 1200-1300 °C-nach Glasieren Glattbrand bei 900-1000 °CNiedrige Temperaturen → Große FarbpaletteScherben dicker als Porzellan, schlechter wärmeleitend, bruchfesterProdukteWandfliesen, sanitärkeramische Erzeugnisse, Geschirr, Kunstgegenstände, technische Artikel
  • Töpfereierzeugnisse -Scherben -Rohstoffe -Besonderheiten -Produkte Scherbennicht weiß brennend, nicht durchscheinend, stumpf klingend, wasseraufsaugend, porös, leicht zerbrechlichRohstoffeTone mit bis zu 40 % Calciumcarbonat (CaCO3)Besonderheiten-Formgebung auf Töpferscheibe-Brennen bei 900-1050 °C-temperaturempfindlich-nicht feuerfest-bedingt backofenbeständigProdukteunglasiert: Blumentöpfe, Römertöpfe glasiert: -Delfter Porzellan (Dekoration ähnlich Chinesischem Porzellan)
  • Definition plastische und nicht plastische Rohstoffe plastische Rohstoffe -Tonsubstanzen (Tone, Kaoline, Betonite) durch Zugabe von Flüssigkeit (Wasser) formbar nichtplastische RohstoffeFeldspat, Kalkspat, Quarz 
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  • Herstellung von Hart-Porzellan Mischungsverhältnis, Masseversatz (fein zermahlene unplastische Rohstoffe und Tone werden in aufgeschlämmter Form (Suspension) gelagert, 1:1 mit Wasser → Masseschlicker)⇓Entwässerung (Filterpresse, Sprüh- oder Zerstäubungstrockner)⇓Formgebung des Filterkuchen durch Drehen (Töpferscheibe), Rollen (Teller, Tassen, Schüsseln), Gießen(Gipsformen)⇓Trocknen (im Trockenofen)⇓Verglühbrand (bei 1000 °C → Festigkeit für weitere Bearbeitung, Porzellan)⇓Glasieren (glasähnlicher Überzug: Pinsel, Tauchen, Begießen, Spritzen)⇓Scharf- oder Glattbrand (bei 1400-1500 °C verschmelzen Porzellanteilchen → dicht, durchscheinend, Sinterung, Glasurschmelzen) Unglasierte Stellen (Telleraufstandsflächen etc.) müssen geschliffen und poliert werden
  • Aufbau von Tunnelöfen Temperaturkontrolle? Aufheiz-/ Vorwärmezone-Material erwärmt-Restfeute verdampft-Organische Reste aus Glasur verbrennen-Physikalische-chemische STrukturveränderung in Scherben beginnen ReinigungszoneB-nur bei Porzellanbrand (900-1060°C)-Oxidation aller noch vorhandenen verunreinigungen (damit Scherbe weiß bleibt) HauptbrennzoneB-reduzierendes Millieu (O2-Mangel)-Verdichterung & Sinterung-Glasur erweicht (Glasartiger Überzug)-Masse ↓ (ca. um 1/6) Abkühlzone-gelenkte Abkühlung (um Spannungsrisse zu vermeiden) Temperaturkontrolle: Pyrometer, zusätzl. auch Segerkegel (laufen im Brennprozess mit)
  • Aufgaben von Glasuren - Eindringen von Feuchtigkeit etc. in Scherben wird verhindert- Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Werkstoffs- glatte Oberfläche schützt vor Ablagerung von Schmutzteilchen- Abdecken eines nicht weißbrennenden Scherbens- Glasur selbst Dekoration oder ermöglicht erst Aufbringen von Dekor
  • Glasurherstellung Roh- und Spatglasurenversch. Mineralien als Trägermaterial (Bsp.: Zinkoxid (ZnO), Bariumoxid (BaO), MgO)⇒nur für Scherben, die bei über 1230 °C gebrannt werdenFritte(Schmelz)-Glasurenaus z.B. Bleimenige, Borverbindungen, Kali/Natronsalpeter, Flußspat, Kochsalz⇒Überführung in den glasartigen Zustand bei ca. 1200 °C, ⇒ Erkalten ⇒Feinmahlen ⇒ Aufschlämmen in Wasser ⇒ Aufbringen auf keramischen Scherben⇒Erneutes Schmelzen beim Glattbrand bei niedrigerer Temperatur, deshalb auch für niedrig brennende Scherben geeignet
  • Dekor zur Verschönerung der keramischen Erzeugnisse keramische Farben in silikatischer Verbindung Farbeffekt⇒Farbauswahl sinkt mit zunehmender Brenntemperatur Unterglasurdekor ⇒Rohbrand⇒Dekorauftrag⇒Glattbrand (keine leuchtenden Farben) Inglasurdekor⇒Nach Glattbrand⇒weiterer Brennprozess (1200°C)⇒Dekor sinkt in die oberflächig erweichte Glasur ein (größere Farbauswahl) Aufglasurdekor Dekor bleibt an Glasuroberfläche( verbindet sich durch Flußmittelzusätze), abriebfest, aber Farben und Glanz nicht dauerbeständig (z.b. beim Spülen) fast alle Farben möglich Scharffeuerfarben bilden bei Temperaturen > 1000 °C zustätzlich 2. farbige Glasur Einsinkfarben sinken in Grundglasur ein Schmelz- oder Muffelfarben -meistverwendete Dekorfarben-für alle glasierten Gegenstände-Probematisch: Pb oder Cd-haltige:Farben: können durch saure oder alkalische LM-bestandteile, Reinigungslösungen, etc. freigesetzt werden
  • Glas -Definition -Merkmale -Kieselglas Definition Struktur ähnlich einer Flüssigkeit Zähigkeit bei normalen Temperaturen ähnlich fester Körper Sprachgebrauch Begriff "Glas" auch für best. Kunststoffe nicht zu langsames Abkühlen einer Silikatschmelze, Einfriervorgang Merkmale Durchlässigkeit für Spektralbereich des sichtbaren Lichtes spröde nicht kristallin ohne definierten Schmelzpunkt Festigkeit von Form und Geometrie abhängig: zerbrechliche Glasgefäße → Glasfasern (biegsam, zugfest) zur Verstärkung anderer Werkstoffe (Verbundwerkstoffe) Kieselglas am einfachsten aufgebautes Glas rasches Abkühlen einer SiO2-Schmelze Struktur: unregelmäßiges Netzwerk von (SiO4) -Tetraeder hoher Schmelzpunkt > 1600 °C → teure Herstellung
  • Hauptbestandteile von Glas Glasbildner in Schmelze nicht auskristallisierend amorpher Zustand einer unterkühlten, sich aber verfestigenden Flüssigkeit bilden Netzwerk auf Grundlage des Tetraedermodels Siliziumdioxid Bortrioxid Phosphorpentoxid Berylliumfluorid Vorkommen in Quarz, Feldspat, Borsäure-, Phosphatverbindungen Flußmittel Reaktion mit Glasbildner unterhalb Schmelzpunkt → Schmelzpunkt erniedrigt unter 1500 °C dadurch technisch einfacher realisierbar Alkali- oder Erdalkalimetalle werden in Netzwerk eingebunden, bilden Trennstellen → Natron-Kalk-Glas Stabilisatoren erzeugen chemische Beständigkeit des Glases übrige Erdalkalimetalle, Blei, Zink als Oxide; Carbonate in Schmelze Art, Menge der eingeschmolzenen Rohstoffe bestimmen spezielle Eigenschaften der Gläser z.B. Dichte 2,2 - 6,0 kg/dm3
  • Erläutere die Glasherstellung Glasbildner + Flussmittel + Härtungsmittel (Stabilisatoren)⇓ Feinmahlen, MischenGemenge + Scherben⇓1. Schmelze  In Ton oder Schmottgefäßen bei 1000°C Scherben senken Schmelzenergie Gemenge sintert Bildung Alkali- Erdalkalimetalle & Doppelcarbonate → Schmelzen: Lösen restlichen Quarzsand aus den Rohstoffen ⇓ Inhomogene, sgtark schlierige, blasenreiche Schmelze⇓2. Schmelze Zugabe von Läuterungsmittel →Entgasung (Durchmischung durch aufsteigende Blasen) Abkühlen auf 1200°C →Zähigkeit↑ ; Formgebbarkeit↑ ⇓Homogene, blasenfreie Masse (Feinschmelze)
  • Weiterverarbeitung der Feinschmelze Flachglas-Tafelglas: Ziehen aus der Schmelze → feuerblanke Oberfläche, Fensterglas, feine Blasen, Wellen, Schlieren, Knoten, schwache Streifen sind zulässige Fehler-Spiegelglas: Gießen und Walzen, Planschleifen oder im Float-Verfahren durch Aufgießen auf Metallbad, Verspiegeln durch Aufbringen einer Silberschicht-Guß-, Draht-, Ornamentglas-Wärmeschutzglas, Isolierglas, Milchglas, Opak- und Opalingläser, Farb- und Filtergäser-Einscheibensicherheitsglas durch Vorspannen (gesteuerte äußere Abschreckung): ⇒höhere Festigkeit, keine scharfkantigen Splitter-Verbundsicherheitsglas aus zwei Flachglasscheiben mit eingelegter Folie Hohlglas-Mundblasen mit Glasmacherpfeife als Freihandarbeit oder Formarbeit-Maschinelles Blasen oder Pressen (Flaschen, Glasgefäße)⇒ Weiterverarbeitung durch Schleifen, Verzieren, Gravieren, Sandstrahlen, Ätzen, Bemalen mit Schmelzfarben
  • Glaskeramik -Definition -Herstellung -Eigenschaften Definition kristalliner Werkstoff, der über den Weg des Glaszustandes hergestellt wird. Struktur: homogen, hochgradig feinkristallin HerstellungGlasschmelze (bestimmter Rohstoffzusammensetzung) ⇒ Formen zu Gegenständen ⇒ gezielte Temperaturabsenkung auf Keimbildungstemperatur (ca. 800 °C) ⇒ Tempern ⇒ Einbrennen des Dekors ⇒  Erwärmen auf Temperatur mit max. Kristallisationsgeschwindigkeit ⇒  AbkühlenEigenschaften Wärmeausdehnungskoeffizient nahe Null ⇒ keine Wärmespannung bei Benutzung als Kochfläche oder Geschirr ausreichende Festigkeit für normale mechanische Belastungen im Haushalt nicht stabil gegenüber punktförmigen Stoßbelastungen (Salzstreuer, Nothammer-Effekt) relativ ungefährliche große Bruchstücke, Verband bleibt erhalten. im heißem Zustand: Reaktion mit Zucker und anderen Stoffen ⇒ die an sich porenfreie Oberfläche wird angegriffen ⇒ Materialabplatzungen nicht kratzfest, relativ teuer bei Anschaffung und Reparatur (Cerankochflächen)
  • Vor und Nachteile von Glas als Verpackung Vorteile Undurchlässig für alle Stoffe Wechselwirkungen mit Füllgütern vernachlässigbar Lichtschutz durch Braunfärbung möglich Mehrweg ⇒ biszu 50 Umläufe Nachteile Zerbrechlichkeit Sprödigkeit Hohes Eigengewicht Verschiedene Flaschenformen und Trägekästen

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