Литейные шликеры: дефлокуляция, плотность, вязкость

Литейный шликер — это почти та же масса, что идёт на круг, но с одним фокусом: в нём на треть меньше воды, чем нужно, чтобы глина стала жидкой, и всё равно он течёт. Делает это дефлокулянт — добавка в десятые доли процента. Ошибка в этих десятых решает, будет ли отливка ровной и плотной или липкой, хрупкой и с волнами на стенке. Разберём, как работает дефлокулянт, чем мерить плотность и текучесть без лаборатории и как по виду отливки понять, что не так со шликером.

Зачем вообще дефлокулянт

Если просто развести глину водой до текучести, получится шликер с плотностью около 1,4–1,5 — в нём половина воды. Такой шликер медленно набирает стенку, сильно намачивает форму, а отливка дает большую усадку и трескается. Дефлокулянт позволяет получить такую же текучесть при плотности 1,75–1,8, где воды меньше 30 %. По Тони Хансену (Digitalfire), шликер с удельным весом 1,79 содержит всего около 28 % воды.

Отсюда главный выигрыш: литые изделия, по Хансену, садятся при сушке всего на 1,5 %, тогда как пластичная каменная масса — на 6–8 %. Хансен формулирует два правила, которые стоит запомнить:

• дефлокулянт меняет вязкость, не меняя плотность; вода снижает и то и другое;
• при одной вязкости плотность может быть разной, а при одной плотности вязкость — очень разной.

Литейная масса и по составу отличается от пластичной: в ней больше каолина и меньше пластичной глины, а бентонита обычно нет. Пластичные компоненты замедляют литьё. В универсальной массе «и для круга, и для литья» Хансен оставляет 1 % бентонита против 3–4 % в чисто пластичной.

Как это работает

Частицы глины в воде слипаются в хлопья — это флокуляция. Хлопья держат в себе воду, и суспензия густеет. Дефлокулянт — это электролит. Его ионы натрия вытесняют с поверхности частиц кальций и магний, вокруг частиц нарастает облако одноимённого заряда, и частицы начинают отталкиваться. Жидкое стекло к тому же осаждает кальций в виде нерастворимого силиката, а полиакрилаты (Darvan) садятся на частицы длинными заряженными цепочками и раздвигают их ещё и механически.

По российским данным (Климош и Левицкий, «Стекло и керамика», 2004), электрокинетический потенциал частиц полиминеральной глины с жидким стеклом достигает 23 мВ, с триполифосфатом — 28 мВ, а с лучшими комбинациями электролитов — 40–43 мВ. Чем он выше, тем сильнее частицы отталкиваются и тем устойчивее шликер.

Флокулянты работают в обратную сторону. Это кальций, магний, алюминий, железо и сульфаты — из самой глины, из воды и из гипсовых форм. Поэтому один и тот же рецепт на разной воде ведёт себя по-разному.

Кривая дефлокуляции

Самое коварное свойство дефлокулянта — у него есть передозировка. После минимума вязкости каждая следующая капля делает шликер не жиже, а гуще. Новичок видит густой шликер, добавляет ещё дефлокулянта — и становится только хуже. Laguna Clay даёт простой признак: если шликер густеет от добавки силиката, он уже передефлокулирован.

Где лежит минимум, показывает опыт 1970 года с фарфоровым шликером на белорусском каолине: смесь жидкого стекла и соды давала максимум разжижения около 0,2 % от сухой массы, а при 0,25–0,30 % шликер уже коагулировал. Окно — сотые доли процента. Поэтому дефлокулянт всегда вводят по каплям, а не «на глаз».

Чем разжижать

О дозах Darvan источники спорят. Хансен в одной статье пишет, что полиакрилатов нужно 0,3–0,5 % — больше, чем силиката, а на странице о полиакрилате натрия того же Digitalfire указано 0,05–0,2 % — меньше силиката. В его собственном примере фарфорового шликера — 38 г Darvan 7 на 5 кг порошка и 2,1 кг воды, то есть около 0,75 %, плотность около 1,75. Вывод один: цифра из рецепта — стартовая точка, а реальную дозу определяет ваша масса.

Ещё одно предупреждение Хансена: свежая партия Darvan может оказаться сильнее старой. В его лаборатории терракотовый шликер после перехода на новую партию оказался передефлокулирован: стенка набиралась вдвое дольше, отливка втрое дольше отходила от формы, а после сушки покрылась твёрдой плёнкой.

Жидкое стекло: что покупать

ГОСТ 13078-81 на натриевое жидкое стекло знает марки с силикатным модулем 2,3–2,6 и 2,6–3,0 и плотностью 1,36–1,45 г/см³. Керамику в областях применения ГОСТ не называет, и рекомендованного для шликеров модуля мы не нашли. В британской практике силикат продают по плотности в градусах Твэддела, и производитель масс Potclays подчёркивает, что разные марки химически различны и заменить одну другой простым разбавлением нельзя. Практический вывод: выберите одну марку и держитесь её, а при смене партии заново проверяйте дозу.

Плотность: главный параметр

Плотность — первое, что выставляют, и только потом текучесть. Ориентиры:

• Хансен: большинство шликеров дефлокулируют до 1,75–1,8; новичкам — цель 1,75, с опытом — 1,78–1,8.
• Британское руководство: около 1,800–1,825, держать как можно выше.
• Laguna: 1,72–1,80. Пол Вандлесс (Ceramic Arts Network) — 1,80–1,85.
• Санфаянс в промышленности: 1,80–1,85 и 72–75 % твёрдого.

Слишком лёгкий шликер — плохо. Хансен описывает, что шликер с плотностью 1,6 лил как передефлокулированный, а 1,9 оказался слишком тяжёлым и быстро густел.

Связь плотности и влажности легко посчитать. Методичка ТПУ даёт её для плотности сухого вещества 2,65 г/см³; мы пересчитали несколько точек по той же формуле:

Как мерить. Проще всего весами. Налейте шликер в мерную ёмкость до отметки 500 мл, взвесьте и разделите массу в граммах на 500: 875 г — это 1,75. Пластиковый мерный цилиндр стоит один раз откалибровать водой по весу. Laguna предупреждает, что почтовые весы для этого недостаточно точны. Ареометры в густом шликере работают плохо: длинный трудно читать, короткий плохо плавает в тиксотропной массе. Методичка ТПУ для лаборатории предлагает пикнометр на 100 мл.

Текучесть: вискозиметр «на коленке»

Текучесть мерят временем истечения через отверстие. Прибор не важен, важна повторяемость: самодельный тест сравним только сам с собой, предупреждает Хансен.

• Чашка Форда №4: отверстие 4,25 мм, объём 100 мл, вода вытекает примерно за 10 секунд. Хансен ориентируется на 40 секунд для шликера плотностью 1,79 после интенсивного перемешивания.
• Шприц на 60 мл с толстой иглой около 3 мм: засекают, за сколько уйдёт от 60 до 10 мл (Хансен).
• Вискозиметр Энглера в практикуме БГТУ: время истечения 100 мл после 30 секунд покоя; нормальное время — около 10 с для фарфора, 15 с для полуфарфора, 20 с для фаянса.
• Наклонная доска из методички ТПУ: 100 см³ шликера на доске под 15°, путь 40 см; нормальная текучесть фарфорового шликера — 8–10 с.

В британской промышленности используют торсионный вискозиметр Галленкампа: груз с цилиндром закручивают на полный оборот, отпускают и смотрят, на сколько градусов маховик проскочит назад. Текучесть хорошего шликера там — около 290–310°, хотя в другом источнике встречается 320–345°. Важнее сам принцип, который приводят и британское руководство, и Хансен: дефлокулянтом выставляют тиксотропию, а потом водой доводят текучесть. Вода почти не влияет на тиксотропию, а дефлокулянт влияет на обе величины сразу.

Тиксотропия: шликер, который густеет в покое

Хороший литейный шликер течёт при движении и слегка густеет, если постоит. Это защищает от оседания, но в избытке мешает: шликер плохо сливается из формы и оставляет толстую дряблую стенку.

В российской практике тиксотропию мерят коэффициентом загустевания: время истечения после 30 минут покоя делят на время после 30 секунд. Нормы у разных авторов расходятся: 1,8–2,2 в практикуме БГТУ для тонкой керамики, 1,4–1,8 для толстостенных изделий с узким горлом у Климош и Левицкого, до 1,8 как заводской допуск для плиточного шликера.

Если шликер слишком густеет — несколько капель дефлокулянта или немного воды. Если слишком жидкий и оседает — малые добавки флокулянта: английская соль (сульфат магния), уксус, хлорид кальция. Для шликеров английская соль, по Хансену, работает лучше уксуса.

Вода, сульфаты и температура

• Жёсткость воды. По Климош и Левицкому, жёсткость выше 4,5–5,0 ммоль-экв/л резко ухудшает текучесть и устойчивость шликера. Хансен советует дистиллированную воду или воду после обратного осмоса.
• Сульфаты из форм. Возвратный шликер накапливает растворимые сульфаты из гипса. Их связывают углекислым барием — 0,02–0,1 % (Тоцци); вводят до дефлокулянта. Это не дефлокулянт, и избыток бария сам флокулирует. Барий ядовит.
• Соли самой глины. У некоторых природных глин растворимые соли превращают суспензию в желе, и практического способа это побороть, по Хансену, нет.
• Температура. Тёплый шликер течёт заметно лучше холодного, поэтому вязкость, выставленная на тёплом шликере, может оказаться слишком высокой после остывания. По данным практикума БГТУ, нагрев шликера с 20 до 50 °C ускоряет набор стенки на 50–100 %.

Приготовление

1. Растворите в воде примерно три четверти расчётного дефлокулянта. Хансен начинает примерно с 95 % воды и 75 % дефлокулянта по рецепту.
2. Засыпьте сухую массу, дайте размокнуть, перемешайте мощной мешалкой. Слишком быстрое перемешивание затягивает воздух, и пузыри потом проявятся в отливке.
3. Протрите через сито: Хансен называет минимум 80 меш, Laguna — 60 меш или мельче.
4. Выставьте плотность, затем по каплям дефлокулянт до нужной текучести. После каждой добавки Laguna ждёт около 20 минут перед замером.
5. Дайте шликеру постоять: британское руководство требует не меньше суток, Хансен отмечает, что выдержка 1–5 дней часто улучшает литьё.

Набор стенки и время литья

Толщина стенки растёт всё медленнее: традиционно её считают пропорциональной корню квадратному из времени. Ориентиры: тонкая чаша 2–3 мм набирается за минуты, у студийных гончаров типичное время — 15–20 минут, у костяного фарфора — 8–20 минут. Стенка 5–10 мм — около 10–15 минут. Если после слива отливка долго не отдаёт воду, время набора завышено — из-за плотности, текучести или избытка пластичной глины в массе.

Дефекты отливки: что подкрутить

Хансен добавляет честное ограничение: тарелки и другие плоские изделия плохо подходят для литья — коробятся, трескаются по краю, плохо отходят от формы. Для них лучше джиггер или пресс.

Источники: Tony Hansen, Digitalfire — Deflocculation, Slip Casting, Darvan, Sodium Silicate, Sodium Polyacrylate, Thixotropy, «Understanding the Deflocculation Process in Slip Casting», тест RHEO; Nilo Tozzi, «Deflocculants: A Detailed Overview» (Digitalfire); Casting Slip Booklet (британское отраслевое руководство); Potclays — рецепт литейного шликера, выбор дефлокулянта, наколы на отливках; Laguna Clay — руководство по литейному шликеру; New Mexico Clay, Slipmaking; P. A. Wandless, V. Zimany, J. Kaplan (Ceramic Arts Network); J. E. Funk Jr., «Understanding Ceramic Slips», и «Understanding Rheology» (Ceramic Industry); ГОСТ 13078-81; В.М. Погребенков, М.Б. Седельникова, «Определение свойств шликерных масс» (ТПУ); БГТУ, лабораторная работа №3 по шликерам; И.В. Пищ, Ю.А. Климош, Е.В. Габалов (Труды БГТУ, 2013); Ю.А. Климош, И.А. Левицкий («Стекло и керамика», 2004); О.В. Кичкайло, И.А. Левицкий («Стекло и керамика», 2017); Н.К. Яговдик и др. (1970); Baseta и др., Ceramics (MDPI), 2025; Wikipedia, «Slip casting»; форум Ceramic Arts Daily.