Die Entstehung der Tone und Kaoline

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Keramik
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Volkmar Meyer-Schönbohm
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Die Entstehung der Tone und Kaoline
Die Kaoline und Tone sind durch die Verwitterung
feldspathaltigen Gesteinen entstanden.
Feldspat findet sich im Erstarrungsgestein.
Für die Entstehung der Tonminerale haben die
Erstarrungsgesteine eine besondere Bedeutung, sie
sind die Muttergesteine der Tonminerale.
Als Tonminerale bezeichnet man nur diejenige
Mineralart, die dem Ton seine charakterliche
Eigenschaft verleiht, dazu gehört in erster Linie die
Bildsamkeit und die Verfestigung beim Brand.
Mineral - Gestein
Das Mineral ist chemisch und physikalisch ein
einheitlicher und anorganischer Stoff. Beim Quarz
ist jedes Quarzstäubchen chemisch gesehen Quarz,
es sind feste Stoffe, in sich einheitlich und am
Aufbau der Erdkruste beteiligt.
Gestein ist nicht einheitlich sondern setzt sich aus
verschiedenen Mineralen zusammen (Quarz,
Feldspat, Glimmer) mit unterschiedlichen
chemischen Eigenschaften.
Verwitterung der Gesteine
Gesteine werden an der Oberfläche durch die
Verwitterung zerkleinert und chemisch zersetzt.
Mechanische Verwitterung
Schroffe Temperaturwechsel
Bergstürze
Gletscher
Wasser
Zerspringen
Zerschlagen
Zerreiben
Zermahlen
Durch die mechanische Verwitterung vergrößert sich
die Oberfläche und ist dadurch leicht der
chemischen Verwitterung ausgesetzt.
Chemische Verwitterung
Das Wasser der Erdoberfläche greift das Gestein
chemisch an. Es ist neutral, salzig, sauer, alkalisch
und wirkt lösend und zersetzend auf das Gestein.
Besonders die Humussäure und die Moorsäure
zersetzen feldspathaltige Gesteine.
Feldspat
+
Kohlensäure
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=
Kaolin
+
Pottasche
+
Kieselsäure
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Ablagerung der Tonminerale
(Sedimentation)
Alle Tonminerale (Kaolinit, Illit oder Montmorillonit)
bestehen aus sehr kleinen Teilchen, die im Wasser
einige Zeit in der Schwebe bleiben. Durch
unterschiedliche Mineraldichte und Beschaffenheit
setzen sich die Teilchen in der Reihenfolge ihrer
Sinkgeschwindigkeit ab. Am Boden entstehen so
horizontale Schichten aus Tonmineralien, Sand,
Quarz und Muttergestein. (Stehende Gewässer)
Im fließenden Wasser sinken zuerst die schwereren
Teilchen ab, die feineren und leichteren Teilchen
werden fortgetragen und lagern sich oft erst im Meer
ab. Während des Transports können fremde und
neue Beimengungen hinzugefügt werden.
Geschieht der Transport nicht durch das Wasser,
sondern durch den Wind, so entstehen bei der
Sedimentation keine Schichten. Die Ablagerungen
werden als Löß bezeichnet.
Das Klima wechselt im Laufe geologischer
Zeiträume. Feuchte Gegenden trocknen aus und so
verfestigt sich die Ablagerung unter ihrem eigenen
Druck und es entstehen die Ablagerungsgesteine
die aber nicht fest oder gar hart zu sein brauchen.
Werden Ablagerungen durch Gebirgsfaltung in
große Tiefen befördert, so werden unter Einwirkung
von bedeutendem Druck und Wärme die Teilchen
verfestigt und es entsteht Tonschiefer.
Primäre und sekundäre Tonlager
Tone die sich am Entstehungsort abgelagert haben,
nennt man primäre Tone. Es sind meist hellbrennende Tone und Kaoline.
Umgelagerter Kaolin - Kaolinitton.
Unter sekundärem Ton versteht man Tone, die
verschiedene Tonmineralien enthalten können,
sowie Sande, Feldspat und Eisenverunreinigungen,
oder Kalk. Durch das Wasser oder die Erdrutsche
vom Entstehungsort abgetrieben, liegen sie auf
sekundärer Lagerstätte. Manchmal enthalten diese
Tone auch Sedimente wie Kohle aus ehemaligen
Mooren.
Lehme liegen direkt an der Oberfläche und stammen
aus der jüngsten Zeit der Erdgeschichte. Sie
enthalten Ablagerungen, die aus Tonmineralien,
einem hohen Anteil von Quarzsand oder Glimmer
und feinem Kalk bestehen.
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Abbau von Kaolinen und Tonen
Wenn ein Tonvorkommen vermutet oder
entdeckt wird, werden Probebohrungen in
unterschiedlichen Tiefen vorgenommen, um
die Mächtigkeit und Qualität der Lagerstätte
zu untersuchen.
Die meisten Tone werden auf sekundären
Lagerstätten gefunden, haben sich also im
Wasser abgesetzt und liegen in Schichten.
Diese Schichten sind in ihrer Zusammensetzung
unterschiedlich (fett, mager, hell oder dunkel
brennend, rein oder mit Sanden versetzt).
1. Übertagabbau
Die Vegetationsschicht, die Erde, Wurzeln und
Geröll werden mit Baggern abgetragen. Für das
Abtragen der Tonschicht verwendet man
unterschiedliche Maschinen (Schaufelradbagger,
Kugelschaufler, Kreiselbagger oder Löffelbagger).
Wertvolle und reine Tone, die oftmals in geringen
Schichtdicken auftreten, werden von Hand mit
Preßluftspaten oder mit einem Tonpflug abgebaut.
Der Abtransport geschieht dann mit sog. Feldbahnen
oder Förderbänder und mit LKW.
2. Untertagabbau
Tonlager die sich in alten geologischen Schichten
gebildet haben, werden im Tiefbau unter Tage
abgebaut.
Kaolin liegt meist auf dem Muttergestein (Granit) als
weiches lockeres Pulver oder in Felsspalten.
Mit einem starken Wasserstrahl wird der Kaolin
herausgeschwemmt. Der Schlamm wird im
Schlämmverfahren vom Quarzsand getrennt. Der
Schlicker muß durch möglichst feine Siebe laufen
und danach in Trockenöfen oder im
Trockensprühverfahren getrocknet werden.
Andere Kaoline oder Tone werden mit Baggern,
ähnlich wie über tage gewonnen. Hierbei handelt es
sich meist um verunreinigte Kaoline (mit Feldspat
und Quarz), er wird als Rohkaolin bezeichnet . Er
muß besonders gereinigt werden.
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Die Bildsamkeit der Tone
Die Tonminerale haben die Form von Plättchen
(Kristalle, die plättchenförmig ausgebildet sind).
Diese Plättchen haben das Bestreben, an ihrer
Oberfläche Wasser anzulagern, sie umgeben sich
mit Wasserhäutchen. Die Tonplättchen quellen,
nehmen das Wasser aber nicht auf. Die Tonteilchen
halten das Wasser fest und umgekehrt infolge der
Oberflächenspannung und verbinden sich so zu
einer zusammenhängenden Masse.
Durch Druck läßt sich die Masse verformen, das
liegt in der Hauptsache daran, daß die Tonplättchen
durch das Zwischenschichtwasser
übereinandergleiten können - es wirkt wie ein
Schmiermittel.
Die Plastizität hängt auch von der Korngröße der
Minerale ab.
Man unterscheidet:
plastische, fette Tone
mit einem PH-Wert kleiner als 7 (schwach sauer)
unplastische, magere Tone
mit einem PH-Wert größer als 7 (schwach basisch)
Durch Zusätze läßt sich die Plastizität einer Masse
verändern.
Soda unplastisch - Säureplastisch
Ebenso läßt sich durch Mahlen der Masse
(verkleinern der Korngröße) die Plastizität
verbessern.
Wird einem Ton gebranntes Tonmehl zugegeben
(Schamotte), so erhält man eine magere und
unplastische Masse.
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Keramik
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Einführung - Materialkunde - Technologie
Die Bezeichnung "Keramik" umfaßt ein sehr
weites Gebiet.
Der Name kommt von dem griechischen Wort
"Keramos" und war die Bezeichnung für ein als
Trinkgefäß benutztes Horn. "Keramaus" hieß der
griechische Töpfer.
Somit ist der Überbegriff "Keramik" für alle
Gegenstände gültig, die aus tonsubstanzhaltigem
Material gearbeitet sind. Keramische Erzeugnisse
gehören zu den ältesten handwerklichen
Gegenständen. Nach vorhandenen Funden darf
man den Beginn der Herstellung solcher
Erzeugnisse auf etwa 12000 J.v.Chr. setzen,
wobei Überraschungen durch neue Funde an
anderen Stellen nicht auszuschließen sind.
Man unterscheidet nach Kunstepochen, Fundort
oder Entstehungsort sowie nach Werkstoff und
definiert Eigenschaften und Verwendungszweck.
Wird die keramische Masse gebrannt, bezeichnet
man den entstandenen Werkstoff als "Scherben".
Einteilung der Keramik
Grobkeramik (Baustoffe)
mit porösem Scherben: Ziegeleierzeugnisse,
Drainagerohre, Leichtbausteine.
mit dicht gesintertem Scherben: Bauteile für die
Kanalisation, Grobsteinzeug, säurefestes
Steinzeug.
Feinkeramik (Baustoffe)
mit porösem Scherben: Glasierte und unglasierte
Bauterrakotten, Steingutplatten.
mit dicht gesintertem Scherben: Fußbodenplatten, Spaltplatten, Futtersteine.
Feinkeramik (Geschirr und Geschenkartikel,
Technische Erzeugnisse)
mit porösem Scherben: Allgemeine Tonwaren,
Töpfergeschirr, Fayence und Majolikaerzeugnisse,
Geschirr und Geschenkartikel aus Steingut,
Sanitärgegenstände aus Steingut.
mit dicht gesintertem Scherben:
Steinzeuggeschirr und Gebrauchsgegenstände,
sowie technische Erzeugnisse,
Porzellanerzeugnisse, technische Artikel,
kochfeste Erzeugnisse einschließlich
geschmolzener Oxide der Oxidgemische.
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Scherben
Poröser Scherben Unter "porösem Scherben" ist
zu verstehen, daß der gebrannte Scherben noch
freien (offenen) Porenraum aufweist, in den
sowohl Feuchtigkeit, als auch Feststoffteilchen
eindringen können.
Gesinterter Scherben Unter dicht "gesintertem
Scherben" ist zu verstehen, daß im gebrannten
Scherben kein freier Porenraum vorhanden ist.
Das Material ist gesintert (geschmolzen), dicht.
Flüssigkeiten können nicht mehr in den Scherben
eindringen.
Die Keramik wird in den folgenden Gruppen nach
Art und Farbe des Scherbens unterschieden.
(Siehe Tafel 1)
Porös und farbig
Ziegelwaren sind in der Regel unglasiert und
haben einen hohen Gehalt an Verunreinigungen
(Eisen, Kalk, Alkalien). Bei einer Brenntemperatur
von ca. 9000C sind diese von geringer Bedeutung für die Formgebung. Ein hoher Kalkanteil in
der Masse färbt den Ziegel von rot nach gelb.
Der Schmelzbereich liegt bei 10000C bis 11500C.
Töpfereierzeugnisse Die Rohstoffbasis bilden
nieder brennende Tone, Feldspate und
feldspathaltige Sande, Kalkspat und Dolomit.
Die Formgebungsarten sind: Freidrehen,
modellieren, Einformen, Überdrehen.
Das Dekor ist häufig eine Engobemalerei, sowie
farbige Glasuren und Unterglasurfarben. Die
Brenntemperatur beträgt zwischen 9800C und
11200C.
Majolika (Mallorca) 16. Jahrhundert
Maßgebend ist ein cremefarbener Scherben mit
einer deckenden Zinnglasur.
Die Brenntemperatur liegt bei 11000C bis 11800C.
Die italienischen Erzeugnisse waren mit
Scharffeuerfarben bemalt, wobei blaue und gelbe
Farben vorherrschten.
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Schamotteerzeugnisse sind hochgebrannte und
zerkleinerte Tone, die keine Schwindung mehr
beim Brand aufweisen. Sie dienen zum magern
der keramischen Masse (setzt die Trocken- und
Brennschwindung herab). Schamottesteine dienen
als Brennhilfsmittel und zum Ausmauern der
Brennöfen, da sie die hohen Brenntemperaturen
auf Dauer aushalten können - 16000C.
Porös und weiß
Steingut gehört zu den feinkeramischen
Erzeugnissen mit porösem Scherben. Diese
Gruppe umfaßt alle Erzeugnisse, deren Scherben
eine unwesentliche Verfärbung aufweist. Die
teilweise höhere Brenntemperatur des Steinguts
im Vergleich zu Tonwaren und die Auswahl
feinerer Rohstoffe geben dieser Gruppe eine
etwas höhere Festigkeit und erweitern die
Dekorationsmöglichkeiten.
Ursprungsland des Steinguts ist England. In
Wedgwood wurde es 1750 bekannt.
Man unterscheidet:
Weichsteingut
Mischsteingut:
Hartsteingut:
Sanitärsteingut:
11000 C - 11500 C
11500 C
12000 C - 12500 C
12000 C
Typisch ist bei Steingut die Unterglasurtechnik.
Auf den gebrannten Scherben wird mit Oxiden
gemalt. Darüber kommt eine transparente,
farblose Glasur. Ebenso werden Dekorfolien und
Edelmetallpräparate als Dekorart verwendet.
(Geschirr aller Art, Ziergegenstände, Wandplatten,
Wandfliesen, bakteriologische Filter).
Fayencen nach der Italienischen Stadt Faenza
benannt, bezeichnet die Ware nach dem
Entstehungsort und ist aus einem weißen,
hellbrennenden Scherben. Eine weiße und
deckende Zinnglasur, sowie die Aufglasurtechnik
sind typisch für die Fayencen. Bei der
Aufglasurtechnik wird in die ungebrannte und
getrocknete Glasur gemalt, weshalb sie auch
Inglasurtechnik genannt wird. Der zweite Brand
erfolgt bei 10500 C.
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Dicht und farbig (undurchscheinend)
Steinzeug hat einen dicht gesinterten farbigen
oder hellbrennenden Scherben. Durch die
Silikatverschmelzung (Sinterung) erhält das
Steinzeug hohe mechanische Festigkeit und ist
deshalb auch beständig gegen Laugen und
Säuren.
In Deutschland sind Steinzeugerzeugnisse bereits
seit dem 11. Jahrhundert bekannt.
Die Rohstoffbasis bilden farbig und hellbrennende
Tone, Kaolin, Feldspat, Pegmatit, Quarz und
Wollastonit.
Als Glasuren werden Rohglasuren sowie
Lehmglasuren und Spatglasuren verwendet.
Eine Besonderheit sind die salzglasierten
Steinzeugwaren. Beim Brand wird Kochsalz in den
Brennofen gegeben. Das Chlorid des Salzes
verdampft, schlägt sich als Dampf auf der Ware
nieder und verbindet sich mit dem Quarz des
Scherbens zu einem glasähnlichen Überzug.
Grobsteinzeug
Rohre, Steinzeugklinker, Tröge, Isolatoren,
Säurebehälter.
Feinsteinzeug
Gebrauchsgegenstände, Service, Geschirr,
Fußbodenplatten.
Die Brenntemperatur liegt zwischen 12200C und
13400C.
Eine nicht unwesentliche Bedeutung hat Steinzeug
auch in der Plattenindustrie, besonders für
Bodenplatten und auch im Bereich der
chemisch-technischen Industrie.
Klinkerwaren
Durch Zusätze von Flußmittel und
Magerungsmittel bis zur Dichtsinterung gebrannter
Ziegel. Brenntemperatur 12000C - 13500C.
Dicht und weiß (undurchscheinend)
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Vitreous - China
Vitreous-China ist ein sogenanntes Halbporzellan.
Ursprungsland ist Nordamerika Es hat die
Zusammensetzung von Steingut, mit einem etwas
höheren Anteil von Flußmittel, weshalb es dicht
brennt. Es wird mit Weichporzellanglasuren
glasiert und bei 12500C - 13000C gebrannt.
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Keramik
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Dicht und weiß (durchscheinend)
Porzellan wurde in Europa in Frankreich um 1700
bekannt(Ursprungsland ist China).
In Meißen 1709 durch Böttger und Tschirnhaus
entdeckt.
Das Porzellan ist der edelste Werkstoff im
keramischen Bereich. Der dicht gesinterte
Scherben, die Lichtdurchlässigkeit (Transparenz)
und der weiße Scherben sind die besonderen
Merkmale für Erzeugnisse aus dieser Gruppe. Die
hohe Festigkeit des Scherbens und das große
Widerstandsvermögen der Porzellanglasur
gegenüber chemischer und mechanischer
Beanspruchung erhöhen den Gebrauchswert.
Man unterscheidet in:
Mischporzellan
11600C - 12000C
Weichporzellan
12000C - 13200C
Hartporzellan
13700C - 14700C
Knochenporzellan enthält - 50 % Knochenasche
Rohstoffbasis bilden Kaolin, Feldspat, Pegmatit,
Quarz und Zusätze von sehr hellbrennenden
Tonen.
Dekorarten: Unterglasur- und Aufglasurfarben,
Einsinkfarben, Scharffeuerfarben, Lüster,
Effektglasuren, Edelmetallpräparate (Platin, Gold,
Silber)
Das Brennen von Porzellanen unterscheidet sich
von allen vorher genannten Werkstoffgruppen
dadurch, daß Porzellanerzeugnisse in
reduzierender Brennatmosphäre, also ohne
Sauerstoff gebrannt werden gegenüber der
oxidierenden Brennatmosphäre aller übrigen
keramischer Erzeugnisse.
Eine Ausnahme bilden nur bestimmte technische
Sondererzeugnisse.
Sondererzeugnisse
alkalifreie Porzellane als Widerstandskörper
Technisches Porzellan
Elektroporzellan
Ferroelektrische Erzeugnisse
Sinterkorund
Oxidkeramik
Diese Sonderezeugnisse sollten hier nur erwähnt
werden, da sie eine keramische Sonderstellung
einnehmen.
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Die Glasur
Unter einer Glasur versteht man einen dünnen,
glasartigen Überzug auf einem keramischen
Scherben.
Glasuren sind Gläser und unterscheiden sich von
Erzeugnissen der Glasindustrie nur dadurch, dass
sie nicht selbständig auftreten, sondern immer nur in
Verbindung einer keramischen Unterlage.
Aufgabe der Glasur
Beseitigung der Saugfähigkeit und Durchlässigkeit
von Flüssigkeiten, Fetten, Gasen bei porösen
Erzeugnissen.
Erhalten einer glatten Oberfläche zur
Sauberhaltung des Gegenstandes.
Der Wunsch nach glasigem Glanz oder matter
Oberfläche aus gestalterischen Gründen.
Schutz für die unter der Glasur liegenden Malerei.
Eigenschaften der Glasur
Durchsichtigkeit, Farblosigkeit, Farbigkeit, Opak
Glätte, Glanz, Härte, Mattheit
Dichte Beschaffenheit der Oberfläche
Spröde in kaltem und formbar in heißem,
zähflüssigem Zustand.
Niedrige Wärmedehnung
Schlechter Wärmeleiter
Isolierend gegen Strom
Kein Schmelzpunkt
Schmelzintervall, Schmelzbereich
Unlöslichkeit
Beständig gegen Wasser
Beständig gegen Säuren (außer Flußsäure)
Haftung auf keramischem Scherben
Zusammensetzung der Glasur
Basische Oxide / Flußmittel
Kaolin
Saure Oxide
Quarz / Glasbildner
Färbende Oxide oder Carbonate
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Flußmittel
Zusätze oder Beimengungen, die die
Schmelztemperatur einer Glasur oder den
Sinterbereich eines Scherbens heruntersetzen.
Die Schmelztemperatur eines Flußmittels muß
unterhalb der Brenntemperatur der Glasur liegen.
Die wichtigsten Flußmittel sind Feldspate, eine
Reihe weiterer Alkali- und Erdalkaliverbindungen,
Borverbindungen, Blei- und Eisenoxide.
Schmelzbarkeitsreihe nach ihrer Flußwirkung
sortiert:
PbO, Na2O, K2O, FeO, ZnO, CaO, MgO, BaO,
CuO, NiO, Al2O3 .
Oxide und Carbonate
Aus natürlich vorkommenden färbenden
Schwermetallen gewonnen, zeigen Oxide für sich
allein gebrannt, keine Farbentwicklung. Erst in
chemischer Verbindung mit Silikatgemischen bilden
sich beim Brand die charakteristischen Farben der
betreffenden Oxide heraus. Carbonate sind in ihrer
Farbgebung etwas schwächer als Oxide und werden
daher für zartere Farbtöne verwendet
Als Beispiel:
Kobaldoxid
CO2 Molekulargewicht: 44
Kobaldcarbonat CO2O3 Molekulargewicht: 119
Farbkörper
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Unabhängig von der unmittelbaren Verwendung zur
Färbung von Glasuren und Massen, werden Oxide
mit Silikatgemischen (Tonerde, Quarz, Kaolin)
vermischt und bei hoher Temperatur geglüht. Das
aus dem Glühofen kommende , schlackenartige
zusammengeschmolzene Farbprodukt wird fein
zermahlen, gewaschen und getrocknet und kommt
als Farbkörper in den Handel. Durch Zugabe von
Farbkörpern in Glasuren und Massen wird die
Farbpalette wesentlich größer als bei
Oxideinfärbungen.
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Tabelle der Oxide
Die Oxide werden in drei keramische
Glasur-Gruppen eingeteilt.
Basenoxide
Sesquioxide
Saure Oxide
(Netzwerkwandler und Flußmittel)
Oxide ein- und zweiwertiger Metalle
(Neutrale oder Amphotere Oxide)
Oxide der dreiwertigen Metalle
(Glas- oder Netzwerkbildner)
Oxide vier- und mehrwertiger
Grundstoffe
Segerformel
Der Keramiker, Prof. Dr. Seger erfand eine Formel
(Segerformel) mit deren Hilfe man die Rohstoffe zu
einem Masseversatz umrechnen kann.
Die Segerformel gibt an, in welchem zahlenmäßigen
Verhältnis die Oxidmolekühle zueinander stehen.
Sie stellt theoretisch gesehen die chemische Formel
einer Glasur dar, aber in keramischer Schreibweise
und mit der Besonderheit, daß die Summe der
Basenoxide stets gleich 1 gehalten wird.
Mit Hilfe des Molekulargewichts eines jeden
Rohstoffes, kann danach der Versatz errechnet
werden.
Segerformel für eine Glasur für 1260C
0,40 Mol ZnO
0,20 Mol K2O
0,40 Mol CaO
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0,25 Mol Al2O3 2,50 Mol SiO2
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Keramische Formel
Molekulargewicht
Für die keramischen Glasurrohstoffe gibt es eine
eigene Formeltabelle, in der außer der keramischen
Formel auch die Molekulargewichte (Mol)
angegeben sind.
Beispiele:
Kalifeldspat
Kalkspat
Kaolin
Kalziumsulfat
Quarz
Zinkoxid
K2O Al2O3 6SiO2
CaO CO2
Al2O3 2SiO2 2H2O
CsO SO4 2H2O
SiO2
ZnO
556
100
258
172
60
81
Mit Hilfe dieser keramischen Formeln ist ersichtlich,
welche Rohstoffe außer dem Hauptstoff
in den Versatz eingerechnet werden.
Wird zum Beispiel Kalifeldspat verwendet um K2O
einzuführen, wird genau soviel Al2O3 mit eingeführt.
Außerdem die 6-fache Menge SiO2. Dies muß später
bei der Verwendung von Kaolin oder Quarz
berücksichtigt werden.
Es ist deshalb durchaus möglich, daß einer
Glasur kein Quarz beigemischt werden muß, da
bereits andere Rohstoffe, wie Feldspat und
Kaolin genügend SiO2 eingebracht haben.
Glasurversatz
111,2 Teile Kalifeldspat
40,0 Teile Kalkspat
35,6 Teile Zinkoxid
12,6 Teile Kaolin
72.0 Teile Quarz
Diese Glasur läßt sich durch Zugabr von 4%
Zinnoxid in eine rein weiße Glasur trüben.
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Fachliteratur
(Quellennachweis)
Hochschule für Gestaltung
Schwäbisch Gmünd
Technologie der Keramik H. Stern Selbstverlag Landshut
Maschinelle Formgebung der Keramik VEB Verlag Leipzig
Glasuren und ihre Farben W, Knapp Verlag Düsseldorf
Technologie der Feinkeramik VEB Verlag Leipzig
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Keramik
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