Состав и производство эмали.

Основой большинства неорганических стекол и эмалей является окись кремния SiO₂, вводимая в шихту в виде кварцевого песка (силикатные стекла). Cтеклообразователями служат также трехокись бора B₂O₃, фосфорный ангидрид P₂O_5, оксид свинца PbO и др. Соответственно такие стекла называются борными, свинцовыми и т. д. Кроме того, в состав эмали входят модификаторы (окиси щелочных и щелочноземельных металлов, от которых зависят свойства эмалей), а также красители и пигменты – красящие окислы металлов, окиси алюминия, свинца, соединения фтора и т. д.

В качестве тугоплавкого сырья для изготовления эмалей используют чистый кварцевый песок (двуокись кремния), полевой шпат (алюмосиликат калия, кальция или натрия), магнезит (углекислый магний). Кварц (SiO₂) составляет 30 - 55 % большинства художественных эмалей. От содержания кварца в составе эмалей зависят такие механические свойства стекла, как прочность при сжатии, упругость и химическая стойкость. Однако увеличение количества SiO₂ в составе шихты значительно увеличивает тугоплавкость эмали (температура плавления чистого кварца 1800 - 2000ºС). Обычные, в том числе художественные стекла содержат 60 – 75% оксида кремния.

Для снижения температуры плавления в шихту вводят легкоплавкие компоненты – флюсы. Чаще всего используются следующие вещества: борная кислота (H₃BO₃), бура (Na₂B₄O₇), сода (Na₂CO₃), известковый шпат (CaCO₃), свинцовый сурик (Pb₃O₄).

Плавление шихты и варку эмалей проводят при температуре в педелах 1000 - 1400 ºС. время варки – от нескольких десятков минут, до нескольких часов. Столь долгое время необходимо для достижения однородной (гомогенной) структуры вещества. В процессе варки в расплаве шихты протекают сложные химические реакции, сопровождающиеся выделением газов. В промышленных условиях варку эмали производят в специальных плавильных или тигельных печах, в лабораторных условиях – в небольших тиглях.

Перед плавкой все компоненты шихты измельчают и тщательно перемешивают. Как правило, варку эмали проводят в два приема. Сначала варят прозрачное стекло – фритту. Затем фритту измельчают и используют как основу для производства собственно цветных эмалей.

Кварц применяют в виде особо чистого песка, но при этом в расплав все же попадает ряд примесей, особенно окислы железа. С другими естественными шихтовыми материалами в образовавшуюся фритту также попадают некоторые примеси. В расплаве эти материалы взаимодействуют друг с другом в виде окислов.

Образовавшаяся из рассмотренных компонентов фритта прозрачна и служит основой для прозрачных эмалей. При добавлении в стекловидный расплав глушителей понижается его прозрачность и таким образом получают исходный материал для непрозрачных эмалей.

До сих пор эмали составляют на основе экспериментальных данных. Многие факторы невозможно заранее предусмотреть, так как взаимодействие компонентов в процессе плавления приводит к различным отклонениям. Состав эмали зависит от заданных технологических параметров. В таблице 1. дан примерный состав эмалей, выпускаемых промышленностью.

Таблица 1.

Исходная рецептура ювелирных эмалей (по данным народного предприятия в г. Радеберг, ГДР) предусматривает следующее соотношение основных компонентов, %:

Предпосылкой для полного растворения и равномерного распределения всех компонентов в расплаве является тщательная подготовка исходных материалов. Точно взвешенное количество шихтовых материалов тщательно измельчают и смешивают так, чтобы в результате получилась однородная смесь твердых, мелких гранул компонентов. Эмалевую шихту расплавляют в печи до получения стеклообразной массы, которая представляет собой основу будущей эмали.

Температура плавления для различных эмалей находится в пределах От 1000 до 1400 °С. Минимальная температура плавления шихты определяется температурой плавления компонентов. Отсюда следует, что ход сложных реакций в шихте требует определенного времени и не может быть ускорен резким повышением температуры.

Здесь, как и при любом химическом процессе, скорость реакции увеличивается с повышением температуры, но до определенного предела, превышение которого приводит к нежелательным явлениям: слишком большим изменениям состава эмали за счет летучести компонентов.

При изготовлении стекла шихту плавят, затем расплав выдерживают при температуре плавления до тех пор, пока не будут удалены газовые пузырьки и смесь не станет гомогенной. Точно так же поступают при варке эмали: шихту нагревают до температуры плавления, расплав перемешивают и, выдержав необходимое время, быстро охлаждают. Вследствие этого получают застывший расплав в виде твердых частиц стекла с включениями газовых пузырьков. Химические реакции между компонентами в необожженной эмали еще не закончены, и при последующем оплавлении на металлической подложке физико-химические процессы продолжаются до тех пор, пока стеклообразная масса не станет полностью однородной. Процесс варки довольно сложен, так как химические и физические процессы протекают одновременно, влияя друг на друга.

Глушение стекла. Если варят непразрачные (опаковые) эмали, то в стекловидный расплав добавляют глушители, особые глушащие добавки с иными показателами преломления, чем у основы стекла. Свет при прохождении через эмалевую массу отклоняется неравномерно, рассеивается и отражается. Чем больше разница показателей преломления основного стекла и глушителя, тем больше глушащий эффект.Некоторые глушители, растворяясь в жидкой эмалевой массе, при охлаждении выделяются в виде твердых частиц или газов. Мелкие газовые пузырьки или кристаллические частицы отражают свет.

В качестве глушителей могут быть использованы следующие вещества: костяной пепел (широко применялся еще с античных времен, в настоящее время вытеснен другими материалами); двуокись олова (SnO₂); двуокись титана (TiO₂); плавликовый шпат или фтористый кальций (CaF₂); криолит (Na₃AlF₆).