Пластичность глины: что это на самом деле и как её поднять

«Короткая» глина трескается на сгибе, рвётся на круге и даёт кучу шликера. «Жирная» тянется, держит тонкую стенку, но долго сохнет и сильно садится. Между ними — то, что мы называем пластичностью. Разберёмся, откуда она берётся, как её быстро проверить в мастерской и какие способы поднять её действительно работают, а какие — скорее легенда.

Откуда берётся пластичность

Пластичность — свойство мягкой глины принимать новую форму под нагрузкой и сохранять её, не возвращаясь к прежней и не трескаясь. Противоположное свойство — упругость. Методичка Томского политехнического университета формулирует так же: затворённая водой глина необратимо деформируется и сохраняет форму после снятия усилия.

Механизм Тони Хансен (Digitalfire) объясняет, сам называя это упрощением. Глинистые частицы — плоские пластинки, а на их гранях и рёбрах разноимённые заряды. Поэтому пластинки притягивают воду, и вода работает одновременно клеем и смазкой. Частицы держатся друг за друга через водные плёнки, но могут по этим плёнкам скользить.

Размер частиц важен, но не он один

По Хансену, пластичность — «в основном, но не только» функция размера частиц. Чем тоньше частицы, тем пластичнее глина. ТПУ уточняет: особенно сильно влияет доля частиц мельче 0,5 мкм, а песок пластичность снижает. Но природа частицы важнее размера. Непластичный материал, размолотый в шаровой мельнице до субмикронных размеров, пластичным не становится. Каолин, размолотый до крупности бентонита, пластичности бентонита не получает.

Дело в типе глинистого минерала. В учебниках механики грунтов приводят такие ориентиры:

Разница в поверхности — на порядок и больше. Для сравнения, у зёрен полевого шпата и кварца около 40 мкм поверхность около 1 м²/г, по данным Ceramic Arts Network. Отсюда понятно, почему бентониты — самые пластичные из обычных глин, а большинство каолинов малопластичны: их частицы сравнительно крупные. При этом пластичность каолинов, по Хансену, меняется в огромном диапазоне — от почти нуля до уровня пластичной глины.

Вода

Хансен пишет, что почти все вакуумированные массы, от грубой каменной до тонкого фарфора, требуют для гончарного круга около 20–22 % воды. Ceramic Arts Network даёт ту же цифру — примерно 20 % по массе. Российские методички для сырых глин называют больше: у очень пластичных 35–40 %, у среднепластичных 25–35 %, у малопластичных 15–25 %. Расхождения нет: готовая масса разбавлена шамотом, кварцем и шпатом, которым вода почти не нужна.

Есть и ещё один фактор, о котором часто забывают, — упаковка частиц. По данным Ceramic Arts Network, со ссылкой на исследования Альфредского университета, плотная упаковка повышает пластичность. Каменная масса без шамота содержит около 62 % твёрдого по объёму, шамотированная — около 68 %, и последнюю там называют «золотым стандартом» пластичности. Мелкий шамот, заполняющий промежутки, не обязательно делает массу «короче».

Быстрые тесты в мастерской

Лабораторное число пластичности по ГОСТ подробно описано в нашей статье об испытаниях глины по ГОСТ 21216. Хансен, правда, замечает, что пределы Аттерберга, на которых оно основано, к большинству керамических масс малоприменимы. Для мастерской есть способы проще.

• Буква «e». Ричард Закин (Ceramics Monthly) раскатывает жгут толщиной около 1 см и длиной около 14 см и сгибает его в прописную «e». Нет трещин на сгибе — масса работоспособна, есть трещины — плохо. В его опыте свежезамешанная красная каменная масса треснула, а вылежавшаяся фарфоровидная согнулась чисто.
• Сигара на изгиб. По Хансену, пластичность достаточна, если раскатанную «сигару» можно согнуть без разрывов.
• Капля на сигаре. Ещё один тест Хансена: положить сигару на палец и капнуть воду на середину сверху. У глин, склонных к расслоению, — обычно грубозернистых и малопластичных — трещины появляются быстро.
• Тонкий жгут. Жгут раскатывают до толщины около 3 мм. Если он рассыпается на кусочки уже при мягкой массе, глина тощая. Это та же граница раскатывания, что используется в ГОСТ.
• Круг. Хансен считает гончарный круг с опытным гончаром окончательным прибором для измерения пластичности. Непластичная масса трескается по краям при раскатке, даёт много шликера и плохо центруется. Бросить две массы рядом и сравнить — практичнее любого прибора.

Сравнивайте массы только при одинаковой влажности. Мягкая тощая масса на сгибе может выглядеть лучше тугой жирной.

Как поднять пластичность

Бентонит — самый сильный рычаг

Обычная доля бентонита в массах, по Хансену, 1–5 %, и уже 2–3 % дают большой эффект. Каолиновым фарфорам для хорошей пластичности обычно нужно 2–5 %. Для непластичных природных глин, как правило, хватает 5 %, в фарфоровидную массу он добавляет 1–2 %. Масштаб эффекта: 5 % бентонита дают примерно ту же пластичность и прочность сухого изделия, что 25 % пластичной глины.

Ещё одна полезная цифра Хансена: для пластического формования обычно нужно 50 % глины и больше. С бентонитом эту долю можно снизить до 40 %, а освободившееся место отдать шпату и кварцу.

Цена — сушка. В контакте с водой бентонит превращается в гель, и гель работает как барьер, поэтому массы с бентонитом сохнут медленнее. Хансен описывает крайний случай — вазу из смеси пластичной глины и бентонита 50:50. Усадка при сушке около 14 % против обычных 6 %, обезвоживание на гипсе около четырёх дней и почти месяц сушки под тканью и плёнкой. Численного «потолка» для бентонита в источниках нет, но вывод очевиден: каждый лишний процент вы заплатите сроком и риском сушки.

Пластичная глина

Пластичная беложгущаяся глина (ball clay) — главный пластификатор каменных масс. Она значительно тоньше каолинов. Обратная сторона та же, что у бентонита: высокая усадка, высокая прочность сырца, медленная сушка. По Хансену, при 20 % и больше этой глины в рецепте растёт риск трещин, и обычно её не больше 30 %. В ней часто есть уголь, отсюда серый цвет сырой массы. Интересный нюанс: каолин, пластифицированный бентонитом, часто сохнет хуже, чем масса на пластичной глине, хотя садится меньше.

Очищенные смектиты: Veegum и Macaloid

Для белого фарфора, где обычный бентонит портит цвет, используют очищенные минералы той же группы.

• Veegum — очищенный тонкодисперсный смектит. По Хансену, 1,5–2 % дают слегка «короткий», но пригодный для круга и лепки фарфор, до 4 % — для белого фарфора. 3–4 % пластифицируют даже прокалённый глинозём и циркон. Окно узкое: на 0,5 % больше — резко растёт усадка, на 0,5 % меньше — край трескается при вытягивании. Гидратация в мешалке занимает до двух часов.
• Macaloid (Bentone MA, очищенный гекторит) даёт чуть меньше пластичности, очень липкий и медленно сохнет. Хансен наблюдал общую усадку 30 % и больше от пластичного состояния до обожжённого. Его часами размешивают в воде, прежде чем добавлять остальное.

Кислота и соли

Небольшая кислотность помогает глине флокулировать — частицы собираются в рыхлые хлопья, и масса становится «жирнее». Ceramic Arts Network называет идеальной слегка кислую воду, около pH 6,5. Хансен объясняет действие уксуса: кислота нейтрализует ионы натрия из воды и из полевого шпата, которые иначе разжижали бы массу. Но избыток кислоты может растворять больше шпата или нефелина и сводить эффект на нет. Дозировок он не даёт.

Рон Рой (Ceramics Monthly) отмечает, что некоторые изготовители масс добавляют уксус, но через несколько недель запах становится слишком сильным, и он этого не советует. Вместо уксуса он упоминает английскую соль — сульфат магния, — которая флокулирует массу без запаха.

Органика и «народные» добавки

Ceramic Arts Network честно пишет: испытания не показали, что коммерческие органические пластификаторы дают прирост, оправдывающий их цену. Объективных доказательств, что молоко, пиво или уксус сами по себе повышают пластичность, тоже нет. Возможный механизм косвенный: бактерии, питаясь добавкой, понижают pH. Но вместе с этим приходят запах и нежелательная микрофлора.

Вылёживание и бактерии

Вылёживание — самая спорная тема. Сначала то, что известно точно.

• Смачивание. По Ceramic Arts Network, масса, замешанная из сухих компонентов, набирает пластичность первые 2–4 недели, пока частицы полностью смачиваются. Масса, полученная через шликер, выходит на полную пластичность примерно за три дня. Покупной массе в брикете обычно нужно лишь несколько дней — она уже вылежалась.
• Позиция Хансена. Старение важно только для настолько непластичного фарфора, что ради улучшения готовы на всё. С бентонитом любую массу можно сделать нужной пластичности прямо из глиномялки. Высокопластичную массу, по его опыту, можно бросать на круге сразу из машины, и она так же пластична, как после года хранения.
• Бактерии. Рон Рой пишет, что плесень и бактерии усиливают флокуляцию и улучшают работоспособность, а некоторые гончары подмешивают старую глину в свежую, чтобы ускорить созревание.

Цифры дают исследования. В опыте Хенриксона и Флеминга (2012) глины выдерживали 10 суток при 30 °C с бактериальными культурами. Прирост пластичности к стерильному контролю составил несколько процентов, максимум 8,2 % у одного из штаммов. Механизм установить не удалось. В БГТУ (Минск) обрабатывали силикатными бактериями массу из 85 % легкоплавкой глины и 15 % гранитных отсевов. Число пластичности выросло с 11,5 до 15,4 за 120 часов, при этом уже после 72 часов было около 13, а дальше почти не менялось. Концентрация бактерий влияла сильнее, чем длительность выдержки.

Вывод: биология даёт реальный, но умеренный эффект, и основная его часть приходит в первые дни. По опыту керамистов, мнения расходятся: одни держат каменную массу полгода и больше, другие считают, что после вакуумной глиномялки вылёживание не нужно, а многомесячная выдержка — признак того, что с массой что-то не так. Подробнее эту тему мы разберём в отдельной статье о вылёживании.

Вакуумирование и проминка

Механическая обработка — недооценённый способ поднять работоспособность. Хансен пишет, что вакуумированная масса обычно формуется лучше, особенно малопластичная, с большим количеством пылеватых частиц или талька. Для большинства пластичных терракот, каменных масс и фарфоров замес через шликер с обезвоживанием и ручной проминкой даёт похожий результат.

Показателен его пример с тальковой массой. Замешанная через шликер, она расслаивалась и шелушилась. После вакуумной глиномялки — работала хорошо. Хансен объясняет это тем, что для развития пластичности нужна энергия, которую вкладывает машина.

Есть и предупреждение. Любая масса при проминке в шнековой машине в какой-то степени расслаивается. При недостаточном вакууме возникают ламинации, которые проявляются трещинами при сушке и обжиге через недели и месяцы. Поэтому вакуум нужно держать под контролем, а перед работой массу полезно ещё раз промять руками. В опыте Хансена шесть непромятых экструдированных брусков треснули по ламинациям, а промятый — нет.

Плата за пластичность: усадка и сушка

Всё, что повышает пластичность, повышает и усадку. Чем тоньше частицы, тем больше поверхности и межчастичной воды, и тем сильнее масса садится, когда эта вода уходит. Вместе с пластичностью растёт и склонность к трещинам при сушке.

Хансен добавляет важную деталь: масса с усадкой 6 % в тугом состоянии в мягком даёт 7 % и больше. Поэтому лишняя вода, которой «улучшают» тощую массу, тоже увеличивает усадку. Оптимум почти всегда где-то посередине: столько пластичности, сколько нужно для вашей формы, и не больше. Цель — не самая жирная масса, а масса, которая выдерживает ваш самый трудный элемент: тонкий край, длинную ручку, крупную тарелку.

Источники: Tony Hansen, Digitalfire — Plasticity, Montmorillonite/Bentonite, Ball Clay, Kaolin, Veegum, Bentone MA (Macaloid), Vinegar, Pugmill, Drying Shrinkage, How to Find and Test Your Own Native Clays; Ceramic Arts Network, «The Particulars of Clay Body Plasticity»; Richard Zakin, Frederick Bartolovic, «Techno File: Testing Clay Bodies» (Ceramics Monthly, 2022); Ron Roy, «Mold in Clay?» (Ceramics Monthly, 2003); J. Henrikson, T. Fleming, «The Effect of Microbial Contamination upon the Plasticity of Ceramic Clays» (2012); Е.М. Дятлова, Р.М. Маркевич и др., «Биологическая обработка керамических масс…» (БГТУ); Т.В. Вакалова, В.М. Погребенков, И.Б. Ревва, «Исследование физико-механических и технологических свойств глинистого сырья» (ТПУ, 2014); А.В. Иванова, Н.А. Михайлова, «Технологические испытания глин» (УГТУ-УПИ, 2005); Н.А. Шевчук, «Керамические материалы и изделия» (БелГУТ, 2020); учебные материалы по механике грунтов (NPTEL, по Mitchell и Soga, 2005).