Просвечивающий фарфор: как добиться прозрачности черепка

Чашка, сквозь стенку которой видна тень пальцев, — мечта почти каждого, кто работает с фарфором. Просвечиваемость не появляется сама от слова «фарфор» на мешке: её дают чистота каолина, доля плавня, отсутствие пор и тонкая стенка, а платить за неё приходится деформацией в печи. Об общих капризах фарфора мы писали в отдельной статье. Здесь — только про свет: что ему мешает пройти через черепок, как это измерить, какие каолины и пластификаторы выбирать и какие рецепты дают настоящую просвечиваемость на конусе 6 и конусе 10.

Что мешает свету

Классический разбор факторов дал Гудман в журнале Американского керамического общества ещё в 1950 году. Его перечень пересказывают и современные работы:

• Доля стекла. Чем больше стеклофазы, тем выше просвечиваемость. Но больше стекла — ниже температура обжига, хуже прочность и выше риск деформации.
• Кристаллы. Муллит и остаточный кварц рассеивают свет. По тому же обзору, уменьшение доли муллита относительно кварца повышает просвечиваемость эффективнее, чем другие меры.
• Поры. Даже немного пустот размером до 130 мкм заметно гасят просвечиваемость: показатели преломления стекла и воздуха в поре сильно различаются, и пора работает как маленькое зеркало.
• Железо и титан. Они окрашивают стекло и поглощают свет. Основная их часть приходит из пластичных глин.

Тони Хансен (Digitalfire) формулирует следствие в одной фразе: просвечиваемость подразумевает склонность к деформации при обжиге. Черепок обжигают настолько близко к плавлению, что стенка начинает пропускать свет, — и в этот же момент она мягнет. Поэтому всё дальнейшее — поиск баланса.

Зато Хансен развенчивает несколько распространённых убеждений. По его опыту, нулевая пористость не строго обязательна, фритты не обязательны — чисто полевошпатовые фарфоры могут сильно просвечивать, — и конус 10 тоже не обязателен. Ниже это видно на рецептах конуса 6.

Как измерить

Самый простой мастерский тест, который предлагает сборник Американского керамического общества «Working with Porcelain» (2018): раскатать или отлить плитки толщиной около 3 мм, процарапать на них неглубокие линии, обжечь и посмотреть на просвет. Хансен численного теста не даёт и советует смотреть готовое изделие на свет, а рядом мерить водопоглощение и усадку по серии температур.

Для тех, кому нужны цифры:

• Метод Шоу (American Ceramic Society Bulletin, 1958): пропускание света в процентах на толщину 2,5 мм. Для тонкой столовой посуды нужно не меньше примерно 0,9 %. Там же — визуальная шкала от 0 до 20 при сравнении с эталонами; около 5 баллов соответствует тем же 0,9 %.
• Коэффициент контраста. Отражение образца на чёрном фоне делят на отражение на белом. Чем прозрачнее черепок, тем меньше коэффициент.
• ГОСТ 28390-89 для фарфоровых изделий первого сорта требует просвечиваемости не меньше 30 % при толщине черепка до 2,5 мм — об этом подробнее в статье о фарфоре.

Для ориентира полезны данные стоматологии, где просвечиваемость меряют точно. Полевошпатовая керамика толщиной 2 мм в работе Ли (Materials, 2015) пропускала от 12,4 % до 1,1 % света в зависимости от оттенка. Свет в таком материале не столько проходит насквозь, сколько рассеивается: при толщине 1 мм прямое пропускание в опытах Бродбелта и соавторов (1980) составило лишь 0,13 %, а полное — 26,8 %. Отсюда эффект «свечения» тонкого фарфора: стенка не прозрачна, как стекло, а светится.

Каолин: самое важное решение

Лучшие каолины для просвечиваемости — с минимумом железа и титана. Хансен называет два: английский Grolleg и новозеландский каолин (NZK).

Сравнив массу на NZK (Polar Ice) и на Grolleg при одинаковой степени спекания, Хансен увидел, что новозеландская заметно сильнее просвечивает и обжигается белее. В массе с 50 % NZK получается около 0,15 % Fe₂O₃, а в похожей массе на Grolleg с 5 % обычного бентонита — примерно вчетверо больше.

Тимоти Андерсон (Ceramics Monthly, 2019) называет Grolleg и новозеландский каолин самыми чистыми из доступных и советует смешивать их: NZK чище, но мельче и даёт более слабую на круге массу, поэтому его вводят до половины каолиновой части. Его ориентиры по примесям в молярных долях: железо и магний вместе — меньше 0,30 %, титан — меньше 0,10 %, потому что он поглощает свет.

Одна странность, о которой честно пишет Хансен: по паспортам у Grolleg больше железа, чем у американского Tile #6, а обжигается он белее. Объяснения у Хансена нет, вывод — тестировать, а не верить паспортам. Антуанетта Бадэнхорст при этом пишет, что у Tile #6 значительно меньше железа и на 1 % больше титана. Источники здесь расходятся.

Пластичная глина — враг просвечиваемости: она приносит железо и титан. Студентка Университета Небраски в учебном проекте получила с пластичной глиной массу с усадкой около 12 %, которая не просвечивала. Без неё масса на Grolleg, новозеландском галлуазите и нефелине просвечивала, но садилась уже примерно на 16 % и чаще трескалась.

Veegum: пластификатор, который работает как плавень

Без пластичной глины массу на каолине держит на круге только очищенный смектит. Обычный бентонит железистый и «съедает» белизну, поэтому в просвечивающих массах используют белые сорта — Veegum T или Bentone.

Главное открытие Хансена: Veegum не только пластифицирует, но и сильно плавит. Нефелин-сиенит с 5 % Veegum спекается на шесть конусов раньше, чем с 10 % бентонита. Одинаковый фарфор конуса 10 с 3,5 % Veegum T оказался более просвечивающим и даже пережжённым по сравнению с 5 % обычного бентонита. В опыте с тремя кружками конуса 6 кружка с 4 % Veegum просвечивала сильнее, чем с 3 % фритты 3110: по словам Хансена, флюсующая сила Veegum «намного превосходит» фритту. В своей массе Polar Ice он называет Veegum «катализатором просвечиваемости».

• Дозы. 1,5–2 % для слегка «короткой» массы, до 4 % для высокой пластичности. Выше 2 % масса требует гораздо больше воды.
• Узкое окно. В белом фарфоре для круга полпроцента сверх нормы резко поднимает усадку при сушке, полпроцента меньше — дают трещины по краю.
• Как вводить. Сначала полностью развести в воде: при 25 °C пропеллерной мешалкой — до двух часов. Шликер с Veegum желируется, поэтому массу на нём практически не просеять.
• Цена. Хансен признаёт: 4 % Veegum стоят дороже остальных 96 % компонентов.

Плавень: сколько шпата

Андерсон оценивает плавень в молярных процентах KNaO. В его Grolleg-массе конуса 10 их 4,70 %, в массе конуса 6 — 5,32 %. При 4,29 % стекло только начинает развиваться, при 5,61 % масса уже хорошо просвечивает и меньше впитывает воду. Цель для конуса 6, по Андерсону, — около 5,60 %.

Хансен для конуса 6 начинает с простой схемы: кварц 20 %, шпат или нефелин 40 %, самый белый каолин 40 %, сверху 3–5 % белого смектита. Слишком много шпата даёт вздутия, слишком мало — потерю просвечиваемости. При этом с Veegum хорошие результаты у него получались и при 20 % шпата.

Кварц тоже нужен. Без него масса из каолина и шпата 70:30 у Хансена сильно цекла глазурь, а снижение кварца до 15 % уже может дать цек. Бадэнхорст предупреждает с другой стороны: кварц от 30 % и выше не успевает раствориться в плавнях и вызывает трещины при остывании.

Рецепты

L3778D — конус 6 (Тони Хансен)

Расчётный состав: Fe₂O₃ 0,39 %, TiO₂ 0,05 %. Предыдущая версия с 25 % нефелина давала овальный край кружек под весом ручки — снижение нефелина до 20 % это исправило. Нулевая пористость достигается между конусами 5 и 6. Результаты по тесту SHAB:

По словам Хансена, просвечиваемость этой массе даёт в основном Veegum, и ещё 1 % (до 4 %) улучшит её дальше. Огневая усадка, падающая выше конуса 6, — признак того, что масса начинает пережигаться.

Конус 10

• Хенсли (Ceramics Monthly, 2015), восстановление или окисление: шпат Custer 22,11; Grolleg 55,28; кварц 325 меш 22,61; сверху Veegum T 0,50 и белый кальциевый бентонит Bentolite L 1,01. Пластификаторы размешивают в воде отдельно и добавляют после сухих компонентов. Для большей просвечиваемости автор советует добавить несколько процентов шпата и кварца, но тогда тарелки и миски оседают на ножке.
• Хансен, «самый чистый пластичный фарфор»: новозеландский каолин 50, шпат 21, кварц 25, Veegum 3.
• Андерсон, «золотой стандарт»: каолин 55, кварц 20, шпат 25 и сверху 2 % Bentone MA.

Серия Бадэнхорст (конус 6, электропечь)

Антуанетта Бадэнхорст (Ceramics Monthly, 2016) взяла основу 50 % плавня, 25 % кварца, 25 % каолина и меняла только каолин. На американском EPK масса вышла стабильной и сероватой, но хорошо просвечивала. Grolleg дал чуть белее, но меньше просвечивал, чем NZK. NZK просвечивал сильнее всех, но оседал, и массу пришлось стабилизировать. Смесь 10 % NZK и 15 % Grolleg дала «ледяной белый» черепок с хорошей просвечиваемостью — и тоже потребовала стабилизатора.

Southern Ice

Самую известную в мире просвечивающую массу разработал австралиец Лес Блейкбро (1930–2022) в исследовательской лаборатории Тасманийской школы искусств: проект начался с гранта в 1995 году и шёл пять лет. По словам самого Блейкбро, доступные массы, включая импортные, были трудны в работе, недостаточно белы и прозрачны и сильно садились. Название, по данным Тасманийского университета, означает «белизна снега и прозрачность льда». Состав не опубликован. Интервал обжига у продавцов указан по-разному: 1260–1300 °C или 1200–1300 °C, а один британский поставщик уже пометил массу как снятую с производства.

Ниже конуса 6: фритты и костяной фарфор

При низких температурах полевой шпат уже не работает: Хансен считает около 1180 °C практическим нижним пределом для шпата как плавня. Ниже просвечиваемость дают только фритты. Его масса Zero3 на конус 03 содержит около 20 % натриевой фритты; тонкие отливки из неё, по словам автора, очень просвечивают и сравнимы с костяным фарфором.

Костяной фарфор просвечивает сильнее обычного по другой причине. Его основа — не муллит, а анортит, и, по Хансену, его кристаллы тонкие и равномерно распределённые, пор почти нет, а показатели преломления стекла и кристаллов близки — свет почти не рассеивается. Классическая шихта: 50 % костяной золы, 25 % корнуоллского камня или шпата, 25 % каолина.

Стенка и обжиг

• Толщина. Сборник «Working with Porcelain» называет целевую толщину около 3 мм. На круге тонко вытянуть трудно, поэтому стенку точат толще, а потом гранят в кожетвёрдом состоянии или снимают материал водой по шеллаковому резисту на сухом изделии. У литья проще: Хансен получил чашу диаметром 130 мм со стенкой около 1 мм и массой 89 г.
• Глазурь. Большинство глазурей снижает просвечиваемость. Блейкбро глазуровал свои работы только изнутри: свет проходит через неглазурованную стенку, а внутренняя глазурь его «ловит».
• Деформация. Сильно стекловидные фарфоры, по Хансену, дают общую усадку 15–18 %. Тонкие широкие формы оседают — нужны подставки, обжиг на подкладных пластах.
• Признаки по виду. Если изделия оседают — обжигать на конус ниже. Если на просвет тусклые, оранжевые или розоватые — выше (по «Working with Porcelain»).
• Режим конуса 6. Хансен обжигает свои массы по программе со «сбросом и выдержкой»: подъём на 60 °C/ч до 1204 °C, выдержка 10 минут, быстрый спуск до 1149 °C и выдержка 30 минут. Контроллеры обычно ведут конус 6 до 1221 °C, и Хансен подозревает, что для таких масс это уже пережог.
• Восстановление. Polar Ice в восстановлении на конусе 10, по Хансену, просвечивает сильнее и приобретает голубоватый оттенок. Но железные точки от загрязнений в восстановлении становятся очень заметны.

Последнее правило Хансена — проверять массу серией конусов выше и ниже рабочего. Плотность максимальна там, где водопоглощение достигло нуля, а огневая усадка — пика. Дальше масса уже нестабильна: её ведёт, она вспучивается, и та самая просвечиваемость, за которую платили, превращается в брак.

Источники: Tony Hansen, Digitalfire — Translucency, Porcelain, Bone China, Formulating a porcelain, Zero3, PLC6DS, New Zealand Kaolin, Grolleg Kaolin, Veegum T, рецепт L3778D (Insight-live); Plainsman Clays, Polar Ice; T. Anderson, «Techno File: Porcelain Bodies 201» (Ceramics Monthly, 2019); A. Badenhorst, «Techno File: Better Porcelain» (Ceramics Monthly, 2016) и «Translucent Porcelain»; A. Neukamm (ред.), «Working with Porcelain» (ACerS, 2018); C. Benzle, «Let There Be Light» (Ceramics Monthly, 2022); R. Hensley, Hensley Porcelain (Ceramics Monthly, 2015); M. Mohammadzadeh Mianji и др., Iranian J. Materials Sci. & Eng. 18 (2021) — обзор с данными Goodman (1950); R. A. Eppler, патент US 3967971 (метод Shaw, 1958); R. H. W. Brodbelt и др., J. Dent. Res. 59 (1980); Y.-K. Lee, Materials 8 (2015); Companion to Tasmanian History; Design Tasmania (2022); интервью Л. Блейкбро (Canberra Potters Society, 2014); Valentine Clays и Bath Potters' Supplies; T. Carstens, «Cone 6 Translucent Porcelain» (UNL, 2021); Wikipedia — Porcelain, Bone china.