Porcelaine

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Contexte

Le terme porcelaine fait référence à une large gamme de produits céramiques qui ont été cuits à haute température pour obtenir des qualités vitreuses ou vitreuses telles que la translucidité et la faible porosité. Parmi les articles en porcelaine les plus connus figurent la porcelaine de table et décorative, les produits chimiques, les couronnes dentaires et les isolants électriques. Généralement blanche ou blanc cassé, la porcelaine se décline en variétés émaillées et non émaillées, avec de la bisque, cuite à haute température, représentant la variété non émaillée la plus populaire.

Bien que la porcelaine soit fréquemment utilisée comme synonyme de porcelaine, les deux ne sont pas identiques. Ils se ressemblent en ce sens que les deux sont des articles vitreux de porosité extrêmement faible, et les deux peuvent être émaillés ou non émaillés. Cependant, la porcelaine, également connue sous le nom de porcelaine tendre ou tendre, est plus douce :elle peut être coupée à la lime, contrairement à la porcelaine. Cette différence est due aux températures plus élevées auxquelles la vraie porcelaine est cuite, 2 650 degrés Fahrenheit (1 454 degrés Celsius) par rapport à 2 200 degrés Fahrenheit (1 204 degrés Celsius) pour la Chine. En raison de sa plus grande dureté, la porcelaine a des applications médicales et industrielles que la porcelaine, limitée à un usage domestique et artistique, n'a pas. De plus, alors que la porcelaine est toujours translucide, la porcelaine est opaque.

La porcelaine à pâte dure ou "vraie" est originaire de Chine pendant la dynastie T'ang (618-907 après JC); cependant, la porcelaine de haute qualité comparable aux articles modernes ne s'est pas développée avant la dynastie Yuan (1279-1368 après JC). La porcelaine chinoise ancienne se composait de kaolin (argile à porcelaine) et de pegmatite, un type de granit grossier. La porcelaine était inconnue des potiers européens avant l'importation des marchandises chinoises au Moyen Âge. Les Européens ont essayé de dupliquer la porcelaine chinoise, mais, incapables d'analyser sa composition chimique, ils n'ont pu imiter que son apparence. Après avoir mélangé le verre avec de l'oxyde d'étain pour le rendre opaque, les artisans européens ont essayé de combiner l'argile et le verre dépoli. Ces alternatives sont devenues connues sous le nom de porcelaines à pâte molle, vitreuses ou artificielles. Cependant, parce qu'ils étaient plus doux que la porcelaine véritable et coûteux à produire, les efforts pour développer la vraie porcelaine se sont poursuivis. En 1707, deux Allemands nommés Ehrenfried Walter von Tschimhaus et Johann Friedrich Bottger réussirent à combiner l'argile avec du feldspath moulu au lieu du verre moulu utilisé auparavant.

Plus tard au XVIIIe siècle, les Anglais ont encore amélioré la recette de la porcelaine lorsqu'ils ont inventé la porcelaine tendre en ajoutant de la cendre d'os de bétail à de l'argile, du feldspath et du quartz. Bien que la porcelaine tendre soit cuite à des températures plus basses que la vraie porcelaine, la cendre d'os lui permet néanmoins de devenir translucide. Parce qu'elle est également plus facile à fabriquer, plus difficile à ébrécher et plus résistante que la porcelaine dure, la porcelaine tendre est devenue le type de porcelaine le plus populaire aux États-Unis et en Grande-Bretagne (les consommateurs européens continuent de privilégier la porcelaine dure).

Matières premières

Les principaux composants de la porcelaine sont les argiles, le feldspath ou le silex et la silice, tous caractérisés par une petite taille de particule. Pour créer différents types de porcelaine, les artisans combinent ces matières premières dans des proportions variables jusqu'à obtenir les propriétés vertes (non cuites) et cuites souhaitées.

Bien que la composition de l'argile varie selon l'endroit où elle est extraite et la façon dont elle Pour fabriquer de la porcelaine, les matières premières, telles que l'argile, le feldspath et la silice, sont d'abord broyées à l'aide de concasseurs à mâchoires , broyeurs à marteaux et broyeurs à boulets. Après le nettoyage pour éliminer les matériaux de taille inappropriée, le mélange est soumis à l'un des quatre processus de formage - formage de plastique souple, formage de plastique rigide, pressage ou coulée - en fonction du type d'article produit. La vaisselle subit ensuite une étape de cuisson préliminaire, la cuisson en biscuit. est traitée, toutes les argiles se vitrifient (développent des qualités vitreuses), uniquement à des températures extrêmement élevées sauf si elles sont mélangées avec des matériaux dont le seuil de vitrification est inférieur. Contrairement au verre, cependant, l'argile est réfractaire, ce qui signifie qu'elle conserve sa forme lorsqu'elle est chauffée. En effet, la porcelaine combine la faible porosité du verre avec la capacité de l'argile à conserver sa forme lorsqu'elle est chauffée, ce qui la rend à la fois facile à former et idéale pour un usage domestique. Les principales argiles utilisées pour fabriquer la porcelaine sont le kaolin et le ball clay, qui se composent principalement de kaolinate, un silicate d'aluminium hydraté.

Le feldspath, un minéral composé principalement de silicate d'aluminium, et le silex, un type de quartz dur, fonctionnent comme des fondants dans le corps ou le mélange de porcelaine. Les flux réduisent la température à laquelle le verre liquide se forme pendant la cuisson entre 1 835 et 2 375 degrés Fahrenheit (1 000 et 1 300 degrés Celsius). Cette phase liquide lie les grains du corps entre eux.

La silice est un composé d'oxygène et de silicium, les deux éléments les plus abondants dans la croûte terrestre. Sa ressemblance avec le verre est visible dans le quartz (sa forme cristalline), l'opale (sa forme amorphe) et le sable (sa forme impure). La silice est la charge la plus couramment utilisée pour faciliter le formage et la cuisson du corps, ainsi que pour améliorer les propriétés du produit fini. La porcelaine peut également contenir de l'alumine, un composé d'aluminium et d'oxygène, ou des corps contenant peu d'alcalis, tels que la stéatite, mieux connue sous le nom de stéatite.

Le processus de fabrication

Une fois les matières premières sélectionnées et les quantités souhaitées pesées, elles passent par une série d'étapes de préparation. Tout d'abord, ils sont broyés et purifiés. Ensuite, ils sont mélangés ensemble avant d'être soumis à l'un des quatre processus de formage :formage de plastique souple, formage de plastique rigide, pressage ou coulée; le choix dépend du type d'articles fabriqués. Une fois la porcelaine formée, elle est soumise à un processus de purification final, la cuisson au bisque, avant d'être émaillée. La glaçure est une couche de verre décoratif appliquée et cuite sur un corps en céramique. La phase finale de fabrication est la cuisson, une étape de chauffage qui a lieu dans un type de four appelé four .

Broyage des matières premières

• 1 Tout d'abord, les particules de matière première sont réduites à la taille souhaitée, ce qui implique l'utilisation de divers équipements au cours de plusieurs étapes de concassage et de broyage. Le concassage primaire est effectué dans des concasseurs à mâchoires qui utilisent des mâchoires métalliques oscillantes. Le concassage secondaire réduit les particules à 0,1 pouce (0,25 centimètre) de diamètre ou moins en utilisant des broyeurs (roues à pneus en acier) ou des broyeurs à marteaux, des marteaux en acier à déplacement rapide. Pour le broyage fin, les artisans utilisent des broyeurs à boulets constitués de grands cylindres rotatifs partiellement remplis de supports de broyage en acier ou en céramique de forme sphérique.

Nettoyage et mélange

• 2 Les ingrédients sont passés à travers une série de tamis pour éliminer tout matériau sous ou surdimensionné. Les tamis, généralement actionnés dans une position inclinée, sont vibrés mécaniquement ou électromécaniquement pour améliorer l'écoulement. Si le corps doit être formé humide, les ingrédients sont ensuite combinés avec de l'eau pour produire la consistance souhaitée. La filtration magnétique est ensuite utilisée pour éliminer le fer des boues, comme on appelle ces mélanges aqueux de matières insolubles. Parce que le fer est si répandu dans la plupart des argiles et qu'il Après la cuisson de biscuit, les porcelaines subissent une opération de glaçage, qui applique le revêtement approprié. Le glacis peut être appliqué par peinture, trempage, coulée ou pulvérisation. Enfin, la vaisselle subit une étape de cuisson dans un four ou un four. Après refroidissement, la porcelaine est terminée. une teinte rougeâtre indésirable au corps s'il s'oxyde, il est essentiel de l'éliminer avant la cuisson. Si le corps doit être formé à sec, des mélangeurs à coque, des mélangeurs à ruban ou des mélangeurs intensifs sont généralement utilisés.

Former le corps

• 3 Ensuite, le corps de la porcelaine est formé. Cela peut être fait en utilisant l'une des quatre méthodes, en fonction du type d'articles produits :
  • formage de plastique souple, où l'argile est façonnée par moulage manuel, lancer de roue, jigger ou presser au bélier. Dans le lancer de roue, un potier place la quantité désirée de corps sur une roue et la façonne pendant que la roue tourne. En jigging, l'argile est posée sur un moule en plâtre horizontal de la forme désirée; ce moule façonne un côté de l'argile, tandis qu'une matrice chauffée est descendue d'en haut pour façonner l'autre côté. Dans le pressage au bélier, l'argile est mise entre deux moules en plâtre, qui la façonnent en faisant sortir l'eau. Le moule est ensuite séparé en appliquant un vide à la moitié supérieure du moule et une pression à la moitié inférieure du moule. Une pression est ensuite appliquée sur la moitié supérieure pour libérer le corps formé.
  • formage de plastique rigide, qui est utilisé pour façonner des corps moins plastiques. Le corps est forcé à travers une matrice en acier pour produire une colonne de circonférence uniforme. Celui-ci est soit coupé à la longueur souhaitée, soit utilisé comme ébauche pour d'autres opérations de formage.
  • en appuyant sur, qui est utilisé pour compacter et façonner des corps secs dans une matrice rigide ou un moule flexible. Il existe plusieurs types de pressage, en fonction du sens de la pression. Le pressage uniaxial décrit le processus consistant à appliquer une pression dans une seule direction, tandis que le pressage isostatique implique l'application d'une pression égale de tous les côtés.
  • coulée en barbotine, dans lequel une suspension est versée dans un moule poreux. Le liquide est filtré à travers le moule, laissant une couche de corps en porcelaine solide. L'eau continue de s'écouler hors de la couche coulée jusqu'à ce que la couche devienne rigide et puisse être retirée du moule. Si l'excès de fluide n'est pas drainé du moule et que tout le matériau est autorisé à se solidifier, le processus est connu sous le nom de coulée solide.

Cuisson de biscuits

• 4 Après avoir été formées, les pièces en porcelaine sont généralement cuites en biscuit, ce qui implique de les chauffer à une température relativement basse pour vaporiser les contaminants volatils et minimiser le retrait lors de la cuisson.

Vitrage

• 5 Une fois les matières premières de la glaçure broyées, elles sont mélangées à de l'eau. Comme le lisier corporel, le lisier est tamisé et passé à travers des filtres magnétiques pour éliminer les contaminants. Il est ensuite appliqué sur la vaisselle par peinture, coulage, trempage ou pulvérisation. Différents types d'émaux peuvent être produits en faisant varier les proportions des ingrédients constitutifs, tels que l'alumine, la silice et le calcaire. Par exemple, augmenter l'alumine et diminuer la silice produit un glaçage mat.

Tir

• 6 La cuisson est une étape de chauffage supplémentaire qui peut être effectuée dans l'un des deux types de four ou four. Un four périodique se compose d'une seule chambre scellée à revêtement réfractaire avec des orifices de brûleur et des conduits de fumée (ou des éléments chauffants électriques). Il ne peut cuire qu'un seul lot de vaisselle à la fois, mais il est plus flexible puisque le cycle de cuisson peut être ajusté pour chaque produit. Un four tunnel est une chambre réfractaire de plusieurs centaines de pieds ou plus de longueur. Il maintient certaines zones de température en continu, la vaisselle étant poussée d'une zone à l'autre. Typiquement, la vaisselle entrera dans une zone de préchauffage et traversera une zone de cuisson centrale avant de quitter le four via une zone de refroidissement. Ce type de four est généralement plus économique et économe en énergie qu'un four périodique.
• 7 Pendant le processus de cuisson, diverses réactions ont lieu. Premièrement, les impuretés à base de carbone brûlent, l'eau chimique évolue (à 215 à 395 degrés Fahrenheit ou 100 à 200 degrés Celsius) et les carbonates et sulfates commencent à se décomposer (à 755 à 1 295 degrés Fahrenheit ou 400 à 700 degrés Celsius). Des gaz sont produits qui doivent s'échapper de la vaisselle. Lors d'un chauffage supplémentaire, certains des minéraux se décomposent en d'autres phases et les flux présents (feldspath et silex) réagissent avec les minéraux en décomposition pour former des verres liquides (à 1 295 à 2 015 degrés Fahrenheit ou 700 à 1 100 degrés Celsius). Ces phases vitreuses sont nécessaires au retrait et au collage des grains. Une fois la densité souhaitée atteinte (supérieure à 2 195 degrés Fahrenheit ou 1 200 degrés Celsius), la vaisselle est refroidie, ce qui provoque la solidification du verre liquide, formant ainsi une forte liaison entre les grains cristallins restants. Après refroidissement, la porcelaine est complète.

Contrôle qualité

Le caractère des matières premières est important pour maintenir la qualité pendant le processus de fabrication. La composition chimique, la phase minérale, la distribution granulométrique et la surface colloïdale affectent les propriétés cuites et non cuites de la porcelaine. Avec un corps non cuit, les propriétés évaluées comprennent la viscosité, la plasticité, le retrait et la résistance. Avec la porcelaine cuite, la résistance, la porosité, la couleur et la dilatation thermique sont mesurées. Bon nombre de ces propriétés sont surveillées et contrôlées pendant la fabrication à l'aide de méthodes statistiques. Tant les matières premières que les paramètres du processus (temps de broyage et pression de formage, par exemple) peuvent être ajustés pour obtenir la qualité souhaitée.

Le futur

L'art et la vaisselle en porcelaine de haute qualité continueront d'améliorer la culture. Les améliorations dans la fabrication continueront d'augmenter à la fois la productivité et l'efficacité énergétique. Par exemple, un fabricant de fours allemand a développé un four tunnel préfabriqué pour une cuisson rapide de la porcelaine de haute qualité en moins de 5 heures. La cuisson est réalisée en réduisant partiellement l'atmosphère à une température de cuisson maximale de 2 555 degrés Fahrenheit (1 400 degrés Celsius). Le four utilise des brûleurs à grande vitesse et un système de contrôle automatique, produisant 23 000 livres (11 500 kilogrammes) de porcelaine en 24 heures.

Les fabricants de produits en porcelaine peuvent également devoir augmenter leurs efforts de recyclage, en raison de l'augmentation des réglementations environnementales. Bien que la ferraille non cuite soit facilement recyclée, la ferraille cuite pose un problème :mécaniquement résistante et donc difficile à décomposer, elle est généralement jetée dans des décharges. Cependant, des recherches préliminaires ont montré que la ferraille cuite peut être réutilisée après la trempe thermique (où la ferraille est réchauffée puis rapidement refroidie), ce qui la rend plus faible et plus facile à décomposer. La ferraille peut alors être utilisée comme matière première.

La porcelaine semble jouer un rôle plus important dans les applications techniques. Des brevets récents ont été délivrés à des sociétés japonaises et américaines dans le domaine des isolateurs électriques et des prothèses dentaires. NGK Insulators, Ltd., un fabricant japonais, a développé de la porcelaine à haute résistance pour les isolateurs électriques, tandis que Murata Manufacturing Co. a développé des composants en porcelaine de frittage à basse température pour les applications électroniques.