Значення хімії у створенні нових матеріалів, розв’язанні сировинної та енергетичної проблем
Слід зазначити, що глина не така вже проста речовина, як здається на перший погляд. Щоб виготовити керамічні вироби, треба добре знати її фізично-хімічні властивості, процеси, що відбуваються під час формування глиняної маси та умови випалювання тощо. Неабиякої уваги вимагає вибір тривалості сушіння і швидкості випалювання кераміки, оскільки при цьому для керамічних виробів характерна так звана усадка (спікання) – зменшення їх розмірів порівняно з розмірами заготовок на 15-30%. Щоб зменшити усадку, застосовують двократне випалювання, коли вихідним матеріалом для виробів є попередньо випалена глина (порошок).
Ніде і ніколи не будували і не будують так багато житла, промислових і сільськогосподарських споруд, як у нашій країні. Та нічого не можна побудувати без будівельної кераміки: цегли, блоків, черепиці, плиток для підлоги і облицювальних плиток, керамічних труб, штучних пористих наповнювачів для бетону, конструкційних деталей і т. д.
Однією з важливих основ нашої індустрії, є керамічні вогнетриви, оскільки без них неможливо виплавити чавун, сталь та інші метали, будувати теплові електростанції та печі для випалювання самих керамічних виробів, здійснювати багато важливих хімічних реакцій.
Вогнетриви мають бути інертними щодо дії розплавлених металів, шлаків, скла, хімічних речовин. Іноді вони повинні добре проводити тепло, а в інших випадках, навпаки, добре утримувати його, запобігати втраті теплової енергії. Вони мають бути термостійкими і достатньо міцними при високих температурах. Ніякі інші матеріали не можуть замінити вогнетривку кераміку, яку головним чином також виготовляють з глини, що складається переважно зі сполук оксиду кремнію (IV) й оксиду алюмінію. Вогнетривкість глини визначається в основному співвідношенням кількості цих двох компонентів. Щоб підвищити вогнетривкість, до глини добавляють глинозем. Так виготовляють високо-глиноземисті вогнетриви. Усе більшого значення набувають магнезитові, форстеритові, корундові, цирконієві та інші вогнетриви, з яких можна виготовляти навіть «хімічну сорочку» для вогняного потоку.
Новий розквіт, другу молодість знаменує собою технічна кераміка, без якої неможливі електроніка, ракетна техніка, атомна енергетика, квантова оптика, техніка високих температур і тисків. Від кераміки до техніки і від техніки до кераміки – такий шлях сьогоднішнього розвитку науково-технічного прогресу в галузі силікатних матеріалів. Це стало можливим завдяки застосуванню найновіших досягнень з фізики і хімії твердого тіла. Останнім часом з’явилися дивовижні керамічні матеріали з чистих оксидів урану, ітрію, тирану, рідкісноземельних та інших елементів. Слідом за ними було створено ферити, сегнетоелектрики, напівпровідники – суміш різних оксидів у певних співвідношеннях, перетворених у вироби за керамічною технологією.
Усе частіше й частіше з’являються керамічні матеріали, які складаються не з оксидів і їх сполук, а з карбідів, нітритів, сицілидів, берилідів, сульфідів, фтори дів деяких елементів. Є навіть графітова кераміка. За багатьма своїми властивостями – вогнетривкістю, твердістю, хімічною стійкістю, міцністю тощо – ці речовини досить близькі до оксидів, проте різняться за характером хімічних зв’язків і будовою кристалічної решітки. Для них характерний металічний і ковалентний зв’язки; вони добре проводять струм, при температурах, близьких до абсолютного нуля, переходять у надпровідниковий стан.Кераміку можна виробляти не тільки спіканням, а й плавленням. Для деяких потреб її поєднують з іншими матеріалами, наприклад металами. Отже, пройшовши через багато тисячоліть, кераміка не тільки не втратила свого значення, а навпаки, переживає свою другу молодість, мистецтво кераміки перетворюється зараз у науку. З кожним роком з’являються нові, досконаліші види кераміки, зростає її значення в народному господарстві. Одним з видів кераміки є фарфор. Мабуть, мало хто не знає, що з нього виготовляють чайний і столовий посуд; різноманітні вази, статуетки, архітектурні прикраси тощо. Цей вид кераміки став настільки масовий і загальнодоступний, що навіть важко повірити, як дорого колись коштували вироби з фарфору. Така кераміка дуже практична і красива, поки що вона не має конкурентів.
Як же виробляють фарфор? Перенесемося у далеке минуле і згадаємо, як виробляли фарфор його винахідники – стародавні китайські гончарі. Вони змішували досить чисту білу пластичну глину каолін з тонко розмеленим каменем «петунтсе». Без цього таємничого каменю утвориться не фарфор, а звичайна біла порувата і непрозора кераміка. Використання «петуантсе» і було головним у секреті китайців.
Зараз багатьом відомо, що до складу фарфорових мас входять три основні компоненти – каолін, кварц і польові шпати. Два перших входять до будівельної кераміки, а у третій компонент – це вже особливість фарфору. У фарфорі , з якого роблять посуд і художні вироби, польового шпату міститься близько 30%, а у фарфорі, з якого виготовляють технічні деталі, його менше, а глинистих речовин більше. Тільки у деяких видах фарфору польового шпату зовсім немає, але тоді добавляють його замінники.
При випалюванні виробів із фарфору глинисті мінерали (каолініт) руйнуються, замість них утворюється нова кристалічна речовина – муліт, і виникає розплав, до складу якого входять домішки кремнезему. Польовий шпат легкоплавкий і під час випалювання його розплав затікає між інші частинки і склеює їх. У результаті цього утворюється досить щільна кераміка, яка майже не має пор. При охолодженні розплав утворює скло, яке надає фарфору здатності просвічуватися, а муліт забезпечує йому міцність і термостійкість. Фарфор не вбирає води та інших рідин і не забруднюється.