Воздух в массе: почему вакуумирование решает половину проблем

Пузырь, который толкает ладонь при центровке. Рваная кромка у экструдированной ручки. Трещина в донце после сушки. Черепок, который пьёт воду сильнее, чем должен. У этих бед часто одна причина: в глине остался воздух. Разберём, откуда он берётся, что именно портит, какие страхи про него ложные и где вакуумирование помогает, а где бессильно.

Откуда в глине воздух

Пластичная масса — это частицы глины, отощителей и плавней, разделённые тонкими плёнками воды. Третьей фазы, воздуха, в идеальной массе нет. Он попадает внутрь при любой операции, где поверхность массы складывается сама на себя или где сухое встречается с мокрым.

• Замес «как тесто». Каждое сложение пласта пополам запирает слой воздуха между половинками. Прихлопывание кома ладонями работает так же.
• Регенерация обрезков. Главный источник пузырей в мастерской. Подвяленные и сухие куски, размоченные и перемешанные руками, дают массу с порами по всему объёму. Шликер с кусками при перемешивании ещё и вспенивается.
• Затворение сухой смеси. Порошок намокает неравномерно, внутри комков остаются сухие ядра с воздухом.
• Масса без вакуумной переработки. Если масса прошла только смеситель или глиномялку, на ощупь она может быть плотной, но внутри у неё мелкая пористость.
• Хранение. Брикет нарезали, куски сложили вместе, подсохшую корку вмешали внутрь — новые поры готовы.

Сколько его там. В учебной литературе по технологии керамики приводится цифра: масса после шнекового пресса без вакуумирования содержит до 10 % воздуха по объёму. При плотности пластичной массы около 2 кг/л брикет 10 кг занимает примерно 5 литров. Значит, в нём может быть до полулитра воздуха — стакан, рассеянный по всему объёму в виде пор от долей миллиметра до заметных каверн.

Что портит воздух: по этапам

Пластичность и «послушность» массы

Пластичность держится на водных плёнках между частицами: благодаря им частицы скользят друг относительно друга, не теряя связи. Пузырь разрывает эту сетку. В месте поры масса не тянется, а рвётся, и при вытягивании стенки края поры расходятся.

Поэтому вакуумированная масса при той же влажности ощущается более связной, «жирной». Сильнее всего разница заметна на коротких, малопластичных массах: фарфоровых, тальковых, с большой долей тонкого песка и пыли. Тони Хансен (Digitalfire, технолог Plainsman Clays) описывает это на производственных примерах. Одна низкотемпературная тальковая масса рвалась на круге после замешивания через шликер, а после вакуумной переработки работала нормально. Механическая проработка в машине сама по себе тоже развивает пластичность.

Есть и бонус, о котором редко говорят: вакуумированной массе нужно меньше воды. По данным учебника В. Т. Станевича «Строительная керамика», формовочная влажность после вакуумирования снижается на 1–3 %. Меньше воды — меньше усадка и спокойнее сушка.

На гончарном круге

При центровке пузырь ощущается как толчок под ладонью: стенка в этом месте иначе отвечает на давление. При подъёме стенки пузырь вытягивается в тонкую линзу и даёт три типичных дефекта:

• местное истончение стенки и биение на быстром круге;
• вздутие, которое прорывается при следующем проходе;
• срыв тонкой кромки на чашах и пиалах.

Пузырь можно проколоть иглой и загладить. Но это ремонт следствия: где вышел один пузырь, в массе остались десятки, которые просто не попали на поверхность.

При экструзии и пластовой формовке

В экструдированном брусе воздух хорошо виден на срезе: поры по сечению, рваные кромки у профилей, пустоты в стенках трубок. Для ручек, бортиков и полых профилей это критично: пора у кромки при сушке становится началом трещины. В пластовой формовке пузыри собираются под скалкой или валиком и вздувают пласт.

При сушке

Пора — концентратор напряжений. Пока изделие сохнет, усадка тянет массу, и трещина стартует там, где материала меньше. Поэтому изделия из невакуумированной массы чаще трескаются по ручкам, стыкам и донцам: там, где поры совпали с местом наибольшей нагрузки.

После обжига

Пористость, заложенная при формовке, никуда не уходит — она переходит в черепок. Учебная литература по строительной керамике даёт такие цифры для вакуумированной массы:

Миф: «пузырь разорвёт изделие в печи»

Самый живучий страх, поэтому посчитаем. Воздух, запертый в герметичной полости, при нагреве увеличивает давление пропорционально абсолютной температуре. При нагреве с 20 до 600 °C давление выросло бы примерно в 3 раза, до 900 °C — в 4 раза. Звучит угрожающе. Но высушенная глина до начала спекания пористая и газопроницаемая: воздух спокойно уходит через капилляры, и давление не копится.

Изделия взрываются в печи из-за воды. Остаточная влага в толстых стенках превращается в пар быстрее, чем успевает выйти. Из одного литра воды при 100 °C и атмосферном давлении получается около 1700 литров пара — вот эта сила и рвёт черепок.

Пузырь здесь соучастник, а не виновник. В полости скапливается влага, а тонкая стенка над порой — первое место, где пар найдёт выход. Точная формулировка такая: воздух не взрывается, но создаёт слабое место, которое не выдерживает пара. Лечится это медленным подъёмом температуры на первом этапе обжига и хорошей просушкой, а вакуумирование убирает само слабое место.

Отдельная история — вздутия черепка при высоком обжиге (вспучивание). Их дают газы разложения: сульфатов, карбонатов, оксидов железа при пережоге. К воздуху от замеса они отношения не имеют, и вакуум их не лечит.

Как проверить массу на воздух

1. Срез струной. Разрежьте брикет или ком в двух-трёх местах натянутой струной. На гладком срезе вакуумированной массы пор не видно. Невакуумированная масса на срезе похожа на сыр: точки, линзы, щели.
2. Продольный срез бруса. Экструдированный брус разрежьте вдоль. Покажет и поры, и слоистость (о ней ниже).
3. Разрез цилиндра. Вытяните на круге цилиндр высотой 12–15 см и разрежьте его проволокой вертикально пополам. Сразу видны пустоты в стенке и разнотолщинность — заодно это лучший тест собственной техники.

Ручной замес: что он делает на самом деле

Правильный замес частично удаляет воздух и выравнивает массу. «Бараний рог» и японский кикунэри — спиральный замес, после которого ком похож на хризантему, — устроены так, что масса не складывается сама на себя, а прокатывается. Пузыри выдавливаются к поверхности и лопаются. Попутно замес выравнивает влажность и ориентирует частицы.

Ограничений у него три:

• Глубина. Замес хорошо убирает крупные пузыри и всё, что близко к поверхности. Мелкие поры в толще кома остаются.
• Ошибки. Одно лишнее складывание вносит новый воздух. У новичков замес часто добавляет пузырей, а не убирает.
• Объём. Руками разумно готовить порцию на несколько изделий. Десятки килограммов регенерата — это часы тяжёлой работы, и спина это запомнит.

Вывод: ручной замес — инструмент финальной подготовки порции, а не способ вакуумировать объём.

Как работает вакуумный экструдер

Из сплошного кома глины воздух не вытянуть даже глубоким вакуумом: он заперт в объёме, и до поверхности слишком далеко. Поэтому машина сначала разбивает массу на тонкие жгуты, а уже потом откачивает воздух.

1. Загрузка и шнек подачи. Шнек захватывает массу, перемешивает и подаёт вперёд.
2. Решётка. Масса продавливается через перфорированную решётку и выходит в вакуумную камеру тонкими жгутами.
3. Вакуумная камера. Насос создаёт разрежение, и воздух уходит из жгутов с огромной суммарной поверхности.
4. Шнек уплотнения. Второй шнек собирает жгуты и сжимает их в монолит.
5. Сопло. Под давлением масса выходит плотным однородным брусом.

Какой нужен вакуум. В промышленных ленточных вакуум-прессах разрежение держат на уровне 600–740 мм рт. ст., то есть 0,08–0,099 МПа: в камере остаётся от 20 до 2,5 кПа воздуха. Правило из учебников: чем пластичнее масса, тем глубже нужен вакуум и тем дольше она должна находиться в камере. Жирной глине труднее отдать воздух, чем тощей.

Практика: как получить от вакуума максимум

• Влажность. Загружайте массу, близкую к рабочей. Слишком мягкая налипает в камере, мажется и плохо отдаёт воздух. Слишком жёсткая рвётся на выходе и перегружает привод. Ориентир для большинства гончарных масс — 20–24 % воды, но лучший ориентир — ваша рука: масса для круга, а не шликер и не камень.
• Первые сантиметры. Масса, которая простояла в машине без вакуума, вакуумирована хуже. Первый отрезок бруса после включения или долгой паузы отправьте обратно в загрузку.
• Следите за вакуумметром. Хансен прямо пишет: в одной производственной партии вакуума не хватило, и в массе появились расслоения, и с тех пор давление контролируют постоянно. Если стрелка ушла — ищите подсос: крышка камеры, уплотнения, засор.
• Короткие массы. Если малопластичная масса рвётся на выходе, сначала добавьте влажности. У Хансена есть показательный случай: на небольшой машине разрывы бруса прекратились после отключения вакуума. Вакуум делает массу плотнее и «туже», и короткой массе это иногда во вред.
• Хранение. Брус сразу заворачивайте в плотный пакет, не сминая и не складывая. Вакуумированная масса остаётся вакуумированной, пока её снова не начали складывать.
• Регенерация. Обрезки замочите, доведите до рабочей влажности на гипсе или подвялите, затем пропустите через машину. Сильно неоднородную массу сначала прогоните на перемешивание и только потом — на вакуумный проход.

Чего вакуум не решает

Честный список, чтобы не ждать от машины чудес.

• Слоистость (свилеватость). Шнек закручивает массу, и в брусе появляется спиральная слоистая структура. В изделии она проявляется S-образными трещинами в донцах и расслоениями. Хансен подчёркивает: после шнековой переработки слоистость в той или иной степени есть у любой массы. Поэтому даже вакуумированную массу для круга стоит коротко перезамесить перед работой, а донца — уплотнять. Это не противоречие: экструдер убирает воздух, короткий замес убирает ориентацию слоёв.
• Неверная влажность и неоднородное сырьё. Вакуум не выровняет массу, если в неё вмешали куски разной влажности или разных партий.
• Известковые включения, соли, органика. «Дутики» от извести и высолы — проблема сырья, а не воздуха.
• Трещины от неравномерной сушки. Плотная масса трескается реже, но сквозняк и разная толщина стенок по-прежнему опасны.
• Вспучивание при пережоге. Как разобрали выше, это газы разложения.

А если масса жидкая: воздух в шликере

У литейщиков та же проблема, только в другой форме. Воздух попадает в шликер при перемешивании: мешалка, поставленная слишком высоко, закручивает воронку и затягивает пузыри. В отливке они дают поры на лицевой поверхности и сквозные точки в тонких местах.

• Мешайте без воронки. Лопасть ниже поверхности, умеренные обороты. Если на поверхности крутится воронка — вы взбиваете шликер, а не мешаете.
• Дайте отстояться. После приготовления шликер выдерживают от нескольких часов до суток. Крупные пузыри всплывают сами.
• Процеживайте. Сито перед заливкой снимает пену и комки.
• Лейте по стенке. Струя, падающая с высоты в форму, захватывает воздух. Ровная струя по стенке формы — нет.

На заводах шликер вакуумируют в мешалках под разрежением, но в мастерской этих четырёх правил обычно достаточно.

Не путать: наколы в глазури

Мелкие кратеры на глазури (наколы) часто списывают на «воздух в глине». Чаще их причина другая: газы, которые выходят из черепка и глазури при обжиге. Это выгорающая органика, разлагающиеся карбонаты и сульфаты, слишком толстый слой глазури, слишком быстрый подъём в зоне её плавления. Вклад пор формовки здесь есть: вскрытая при обточке пора на поверхности тоже даёт накол. Но если наколы идут равномерно по всему изделию, ищите причину в обжиге и составе, а не в замесе.

Где вакуумирование окупается быстрее всего

• Фарфор и тонкостенная посуда. Короткая масса и тонкая стенка не прощают ни одного пузыря.
• Экструзия профилей, ручек, трубок. Поры у кромки — прямой путь к трещине.
• Регенерация обрезков. То, что иначе выбрасывают или неделями замешивают руками, возвращается в работу.
• Цветные массы для нерикоми. Пузырь на стыке цветных слоёв — готовая трещина по узору.
• Объём. Когда массы в мастерской десятки килограммов в неделю, время на ручной замес стоит дороже машины.

Без вакуума можно обойтись в грубой шамотной скульптуре с толстыми стенками и в разовых небольших работах — там достаточно хорошего ручного замеса.

Коротко

1. В невакуумированной массе может быть до 10 % воздуха по объёму — полстакана на каждые 5 кг.
2. Воздух снижает пластичность, даёт пузыри на круге и трещины в сушке, делает черепок слабее и пористее.
3. Сам по себе воздух изделие в печи не взрывает — взрывает пар. Но пора становится слабым местом, где пар прорвётся.
4. Ручной замес — для финальной подготовки порции. Вакуумировать объём должна машина: решётка, вакуумная камера, уплотнение.
5. Даже вакуумированную массу коротко перезамешивайте перед кругом: так вы убираете слоистость от шнека.

Источники: В. Т. Станевич, «Строительная керамика», учебное пособие, Павлодар, 2008; Tony Hansen, Digitalfire Reference Library — статьи De-airing и Pugmill; учебные курсы по технологии строительной керамики (раздел «Пластическое формование»).