matieres premieres entrant dans la composition des pates ceramiques

MATIERES PREMIERES ENTRANT DANS LA
COMPOSITION DES PATES CERAMIQUES
ARGILES
I
FORMATION
Les argiles proviennent de la décomposition lente de nombreux minéraux
silicates, alumineux (tels que les feldspaths, les micas ou les basaltes). Cette
décomposition a lieu
sous l'influence de l’eau, de l’acide carbonique et aussi
probablement du fluor.
Dans la majorité des cas, le produit de décomposition donnant naissance à
l'argile est la kaolinite dont la formule chimique est la suivante :
2 SiO2, AL2O3, 2 H20.
La kaolinite pure est très rare, elle contient très souvent des impuretés sous
forme d'oxydes.
L'argile qui en découle révèle généralement à l'examen microscopique une
cristallisation très nette, mais peut aussi être formée de particules très fines sans que
l'on puisse déceler de cristallisation.
II
PLASTICITE
L'argile possède la propriété caractéristique de former avec l'eau une pâte liante.
Le rapport de plasticité résulte du grain de l'argile et de la quantité d'eau.
Plus une argile est fine, plus elle est plastique ; on peut donc augmenter sa
plasticité par un broyage intensif.
La théorie de la forme lamellaire est généralement admise pour expliquer la
plasticité, mais non la cohésion de l'argile après séchage qui est attribuée aux matières
colloïdales qu'elle renferme.
Les colloïdes peuvent revêtir plusieurs formes :
L'état "sol", c'est-à-dire soluble.
L'état "gel", c'est-à-dire gélatineux.
L'état "inerte", par suite de certaines actions.
Dans les barbotines de coulage, on cherche à faire passer les colloïdes de l'état
"gel" à l'état "sol" au moyen de réactifs alcalins, ce qui évite de les délayer dans une trop
forte quantité d'eau (voir action des réactifs).
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MATIERES PREMIERES
CARRIERE LAMBERT - CORMEILLES EN PARISIS
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MATIERES PREMIERES
STOCKAGE DES ARGILES
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III.
RETRAIT
Le retrait est la deuxième propriété caractéristique des argiles ; il se traduit par
une diminution linéaire, donc du volume. Ce phénomène s'accomplit en partie pendant le
séchage, en partie pendant la cuisson et surtout pendant la vitrification, mais il n'est pas
proportionnel à la chaleur.
L'argile sèche a une structure poreuse résultant de l'évaporation de l'eau.
Une argile séchée rapidement prend moins de retrait qu'une argile séchée
lentement, de même qu'une argile étirée prend plus de retrait qu'une argile compressée.
IV.
ACTION DE LA CHALEUR
La chaleur exerce sur l'argile une action qui amène des modifications profondes
dans son état physique et ses propriétés chimiques
Entre 100° et 130° : évaporation de l'eau hygrométrique, la proportion d'eau
varie, de 3 à 10 %. Cette dessiccation est purement physique et n'influe pas sur les
propriétés de l'argile.
Entre 400° et 700° : évaporation de l'eau faisant partie de la molécule d'argile ;
son départ modifie complètement la nature de l'argile qui devient dure et sonore, et dont
la porosité augmente.
Certaines argiles possèdent la propriété de devenir imperméables entre 1280° et
1300°.
L'argile pure n’entre en fusion qu'à plus de 1800°
De même qu'à l'état cru, les argiles cuites doivent être chauffées ou refroidies
lentement et graduellement. Les terres
cuites poreuses moins conductrices, exigent
moins de précaution que les pâtes vitrifiées compactes.
V.
ACTION DU FROID (0°)
La gelée est sans action sur l'argile sèche, crue ou cuite. Par contre, elle
provoque la désagrégation de l'argile crue et humide qui tombe en bouillie au dégel, et la
destruction de terres cuites saturées d'eau qui se détruisent par éclats.
VI.
ACTION DES REACTIFS
Les acides énergiques concentrés et chauds décomposent l'argile crue.
Seul, l'acide fluorhydrique décompose à froid l'argile cuite.
Les acides dilués augmentent la plasticité de l'argile. Par contre, les alcalis la
détruisent ; cette dernière propriété est utilisée dans les pâtes de coulage.
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METHODE GRAPHIQUE D’AGRANDISSEMENT OU
DE REDUCTION DES COTES D’UNE PIECE
EXEMPLE D’UNE PATE AYANT UN RETRAIT DE 7%
CALCUL D’UNE DES COTES CHOISIES SOIT : 38 mm
GRANDISSEMENT : 38x 7 = 2,86 mm
93
GRANDEUR CRU : 38 + 2,86 = 40,86 mm
RETRAIT
:40,86 x7 = 2,86 m
100
GRANDEUR CUIT : 40,86 – 2,86 = 38 mm
Toutes les cotes « grandeur cru » d’un dessin peuvent être trouvées grâce à un
graphique si celui-ci est tracé avec une très grande précision. Les 7% cités en exemple
seront portés en retrait sur le coté supérieur d’un carré de 10 cm de coté. Deux lignes
droites tracées depuis le point zéro, l’une par ce repaire l’autre étant la diagonale du
carré, définiront verticalement entre elles la valeur de l’agrandissement des cotes
portées verticalement sur ce graphique
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VII.
IMPURETES MELANGEES A L'ARGILE
Ces impuretés sont de deux sortes :
1°) Débris minéraux provenant des roches qui ont donné naissance à l'argile
2°) Impuretés mélangées au cours du déplacement des argiles en formation.
Toutes ces impuretés peuvent aller depuis les impalpables; jusqu'aux débris
assez considérables. Celles qui sont d'une grosseur appréciable doivent être éliminées,
sinon elles donnent très souvent lieu à des accidents. Les impuretés trop fines pour être
éliminées modifient les propriétés de l'argile ; très souvent elles diminuent le retrait,
abaissent le point de fusion et donnent des colorations diverses.
VIII.
CLASSIFICATION DES ARGILES
Elles sont classées par leur comportement à la cuisson. Celles qui sont
réfractaires peuvent être considérées comme pures. On admet que les argiles ne
comportant pas de traces de fusion à 1600° sont réfractaires.
On classe les argiles en trois groupes :
1°) Les kaolins et les argiles réfractaires proprement dites.
2°) Les argiles vitrifiables qui deviennent imperméables aux températures
industrielles, vers 1300°.
3°) Les argiles fusibles qui sont complètement fondues à ces températures.
IX
KAOLINS
Les kaolins forment la partie plastique des pâtes de porcelaine ; ils diffèrent de
l'argile par deux points : ils sont plus blancs et moins plastiques, ils contiennent moins de
matières colloïdales que les argiles.
Seuls, les kaolins cuisant blancs sont utilisés pour la porcelaine. Pour les purifier
des roches qui leur ont donné naissance, on procède par lévigation.
Les kaolins maigres ou peu plastiques ou prenant une teinte crème à la cuisson,
sont utilisés dans les pâtes de faïence fine ou pour les pâtes de vitréous.
X
ARGILES REFRACTAIRES
Elles ne doivent pas contenir plus de 2 à 3 % de base, et avoir une fusion à une
température supérieure à 1600°. Comme les kaolins, les argiles réfractaires sont dites
alumineuses ou siliceuses suivant leur composition.
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Les argiles les plus colorées sont employées pour les grès et les produits
réfractaires.
XI
ARGILES VITRIFIABLES
Elles contiennent une plus forte proportion de base que les précédentes et sont
généralement plus siliceuses ; leur teneur en oxyde de fer est parfois considérable.
Ces argiles ont la propriété de devenir imperméables entre 1200° et 1300°. Chez
certaines d'entre elles, le ramollissement et la fusion suivent de près la vitrification.
Ces argiles peuvent avoir des colorations diverses, mais en principe elles cuisent
rouge.
XII
ARGILES FUSIBLES
Ces argiles sont encore moins pures que les vitrifiables. Elles contiennent
souvent du carbonate de chaux et de l'oxyde de fer en quantité parfois très élevée, qui
abaissent leur point de fusion au- dessous de 1200°.
DEGRAISSANTS
Les dégraissants ont pour but d'enlever un excès de plasticité qui rend le
séchage difficile, provoque des déformations et des ruptures. Ce résultat s'obtient en
mélangeant à l'argile des matières inertes et convenablement pulvérisées qui, par leur
absence de retrait, diminuent celui de la masse à laquelle elles sont incorporées.
Ces matières s'appellent dégraissants, amaigrissants ou antiplastiques.
La proportion de dégraissant varie suivant la plasticité primitive de l'argile, et
celle que l'on désire lui donner. Il y a toutefois une proportion à ne pas dépasser sinon le
façonnage devient difficile, la cohésion disparaît et la pâte fend avec une grande facilité.
La grosseur du dégraissant utilisé joue un rôle important ; s'il est grossier, il agit
énergiquement et facilite le séchage, le retrait est plus faible.
Après cuisson, les produits ont une plus grande résistance aux chocs et aux
changements de température ; ils sont poreux quelque soit le degré de vitrification. Si le
dégraissant est finement broyé, il prend une sorte de plasticité et se prête à une
fabrication plus fine ; les produits ont un séchage plus délicat et un retrait plus élevé.
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Cuits, les produits sont serrés et imperméables quand ils sont vitrifiés, mais sont bien
moins élastiques.
La grosseur du grain d'un dégraissant n'est jamais uniforme ; on le désigne par
le numéro de la toile du crible qui a servi à son triage, mais on sous-entend qu'il s'agit de
tous les grains compris entre cette limite et l'impalpable. Il est d'ailleurs possible
d'introduire une plus forte proportion de grains de grosseurs différentes qu'uniformes,
parce que les petits se logent entre les gros et que la quantité de matière à lier le tout
peut être moins élevée.
Si la nature des dégraissants est à peu près indifférente dans la pâte crue où leur rôle est
purement mécanique, il n’en est pas de même lorsqu’on la soumet à la cuisson.
Les uns, combustibles, disparaissent au feu en laissant des vides qui donnent à l’argile de
la légèreté et de la porosité. Les autres, d’un usage plus courant, sont stables et restent
incorporés dans la masse.
On classe les dégraissants en trois groupes :
1°) Ceux qui sont sans action sur la fusibilité de la masse. (voir le cas
particulier de la pulpe de papier qui apporte de la plasticité)
2°) Ceux qui la diminuent.
3°) Ceux qui l'augmentent, ces derniers prennent le nom de "fondants".
I
DEGRAISSANTS COMBUSTIBLES
a) Combustibles végétaux : débris de paille, sciure de bois, papier de journal
réduit en bouillie appelée aussi pulpe, ajoutée exclusivement par préparation de la pâte
par voie liquide.
b) Combustibles minéraux : poussier de charbon, coke, escarbilles; ces derniers
ont l'inconvénient de donner des colorations.
Les pâtes poreuses fabriquées avec des dégraissants combustibles peuvent servir
de filtre ou être utilisées dans les matériaux de construction.
Les matières organiques existent en faible quantité dans beaucoup d'argiles ;
elles sont sans inconvénient quand elles sont fines, mais en morceaux volumineux elles
laissent des vides en cuisant ce qui oblige l'épuration des argiles. A un taux très élevé,
ces matières laissent un dépôt charbonneux qui communique à la pète une couleur noire.
Cas particulier de la pulpe de papier journal utilisée comme dégraissant
Comme vous le pensez, le papier brûlant à la cuisson laisse une structure poreuse
au produit final, mais il communique à la pâte crue grâce à la cellulose qu'il apporte de la
plasticité . C'est le cas notamment pour le papier porcelaine qui s'il est préparé en feuille
mince, peut très bien par pliage servir à faire des cocottes. Il est même possible de
découper la feuille ainsi préparée avec des ciseaux comme un vulgaire morceau de papier
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ou de carton.
La pulpe de papier n'est pas réservée à la porcelaine elle peut s'incorporer à de la
terre cuite ou du grès se qui permet de faire de très grandes pièces en volume, soit par
sculpture modelée ou par coulage. Cet apport de cellulose réduisant considérablement les
risques de casse aussi bien à la fabrication qu'à la cuisson. Les produits finis seront
toujours poreux, mais pourront néanmoins s'émailler, dans certains cas.
Le papier journal très bon marché et facilement délayable est utilisé de préférence
à tout autre sorte de papier, ses proportions varient suivant ce que l"on veut faire de 10
à 30 % du poids de la pâte sèche. Un exemple exact vous est fourni pour le papier
porcelaine au paragraphe 55.
II
DEGRAISSANTS STABLES
a) L'argile cuite pulvérisée prend le nom de ciment ou de chamotte. Si cette
chamotte provient de la même argile, elle ne change pas le degré de fusibilité de
l'argile à laquelle on l'incorpore. La forme du grain de cette chamotte a son
importance, il est préférable d'avoir un grain éclaté par écrasement qu'un grain
arrondi par frottement. Dans le cas de débris cuits broyés très fins, la chamotte prend
le nom de "tesson".
b) La silice est le type de dégraissant réfractaire. Elle existe dans toutes les
pâtes céramiques, mais en tant que dégraissant il faut entendre silice libre et non celle
qui, combinée à l’alumine, forme les argiles.
La silice se rencontre dans la nature sous deux états différents:
1°) Anhydre, c’est-à-dire sans eau.
2°) Hydratée, avec de l’eau de constitution.
Il y a plusieurs variétés de silice anhydre :
♦
Pure et cristallisée, elle se rencontre dans le quartz ou cristal de roche.
♦
La tridymite se rencontre dans certaines roches volcaniques.
♦
La calcédoine forme le silex et le galet de mer.
♦
Enfin, la silice amorphe, non cristallisée, se rencontre dans la terre
d'infusoires.
La silice hydratée se rencontre dans l'opale, mais présente peu d'intérêt pour le
céramiste.
La silice pure est blanche, très dure, insoluble dans l'eau. Elle fond vers 1800° en
un verre incolore ; elle n'est attaquée que par l'acide fluorhydrique. Elle s'unit aux bases,
aux oxydes métalliques et à leurs sels, en se substituant à l'acide qu'ils renferment, à
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une température élevée. De ce fait, elle fournit une grande quantité de silicates qui
forment les pâtes, les glaçures céramiques, le verre et le cristal.
Dans les pâtes, la silice n'est pas toujours combinée, elle existe aussi à l'état libre
en mélange avec les silicates Cette silice libre communique des propriétés spéciales par
suite des transformations qu'elle éprouve pendant la cuisson. Au façonnage et au
séchage, elle se comporte comme les autres dégraissants.
Les diverses variétés de silice ont et communiquent aux pâtes des dilatations très
irrégulières, certaines présentent même un gonflement définitif qui est presque toujours
masqué par le retrait de l'argile.
Parmi les constituants des poteries, la silice est beaucoup plus dilatable, que
l'argile, ce qui demande quelques précautions à la cuisson.
Différentes variétés de silice :
Le quartz pur forme le cristal de roche, mais on le rencontre plus fréquemment en
masses laiteuses ou colorées contenant un peu d’oxyde de fer, d’alumine, d’alcalis…Le
quartz entre dans la composition de nombreuses roches ; les pegmatites sont des
mélanges de quartz et de feldspath.
C’est souvent à l’état de sable quartzeux que se trouve la silice libre qui existe dans
presque toutes les argiles.
La tridymite se rencontre dans certaines roches volcaniques, mais elle est aussi le
produit du quartz à une température très élevée et longtemps soutenue.
La calcédoine existe dans le galet de mer et dans la pierre à feu ou silex ; c'est de
la silice presque pure, colorée en noir par des matières organiques. Après calcination, le
produit devient blanc.
La silice amorphe ne possède pas la forme cristalline ; elle se trouve dans la terre
d'infusoires, sable très léger formé par des végétaux microscopiques. Elle peut être aussi
le résultat de la transformation, par la chaleur, d'autres variétés de silice.
Au point de vue plastique, les sables sont plus commodes que les roches
quartzeuses et que les galets qu'il faut calciner et broyer.
Les argiles très siliceuses sont souvent employées comme dégraissant et
mélangées à des argiles grasses.
Les principaux sables siliceux employés tels qu'on les trouve, après un simple
lavage, sont ceux de Fontainebleau et de Decize.
27/10
FONDANTS
On appelle ainsi la catégorie des dégraissants utilisés pour provoquer la
vitrification des argiles.
Tous les oxydes métalliques mélangés à la kaolinite et à la silice abaissent le point
de fusion des argiles ; les fondants sont donc très nombreux. Pour les pâtes,
aujourd'hui, on ne se sert plus que de silicates naturels ou alcalis ; les plus employés
sont les feldspaths purs ou mélangés de quartz (pegmatite, stone) et les micas. Parmi
les oxydes, c'est le fer le plus employé. Les alcalino-terreux sont apportés par la chaux
ou, plus rarement, par la baryte.
Les alcalis, tels que la potasse et la soude, étant solubles dans l'eau ne peuvent
être employés sous cette forme qu'après les avoir combinés avec de la silice par un
commencement de fusion. Cette méthode était utilisée, autrefois, pour la porcelaine
tendre.
Les fondants alcalins donnent une vitrification progressive, et ne commencent a
fondre qu'après vitrification complète.
D'autres matières volcaniques peuvent également servir de fondant, mais leur
point de fusion est plus proche de leur point de vitrification (porphyres, basaltes, laves).
Les argiles vitrifiables contiennent assez de fondant alcalin pour devenir, d'ellesmêmes, imperméables entre 1200° et 1300°.
Les sels de chaux tels que le gypse ou pierre à plâtre, ont été très employés dans
l'ancien temps (porcelaine tendre). On emploie aussi des silicates de chaux naturels tels
que l'anorthite ou artificiels comme les laitiers de haut fourneaux.
Dans la porcelaine tendre anglaise, on emploie le phosphate de chaux. Tous ces
fondants calcaires ont un point de fusion presque égale à leur point de vitrification,
c'est-à-dire qu'ils se ramollissent en même temps qu'ils provoquent la vitrification des
pâtes.
Les fondants ne peuvent jouer leur rôle que lorsque la température à laquelle ils
se combinent est atteinte; au dessous de cette température, ils n’agissent que comme
des dégraissants.
Principaux fondants employés dans la fabrication des pâtes :
•
Les feldspaths sont des alcalis qui peuvent être :
Potassiques
=
Orthose.
Sodiques
=
Albite.
Calcaires
=
Anorthite.
Les feldspaths purs sont très rares, ils sont presque toujours mélangés entre eux.
27/11
Les pegmatites sont des mélanges naturels de quartz et de feldspath, elles
contiennent environ 75 % de ce dernier. Les pegmatites existent soit en roches, soit en
sables.
Le cornish-stone est une roche d'origine anglaise analogue à la pegmatite.
Le mica ne s'introduit pas ordinairement dans les pâtes, mais beaucoup de kaolins
et d'argiles ainsi que certains sables en contiennent de notables quantités qui leur
donnent de la fusibilité. Les micas peuvent être potassiques ou magnésiens.
Le carbonate de chaux ou blanc de Meudon, doit être broyé très finement car au
rouge, c'est-à-dire à partir de 600°, il se transforme en chaux vive, puis en silicate si la
température est atteinte.
Si dans une poterie 'il existe des grains de chaux vive, ceux-ci en s'hydratant
gonfleront et feront éclater cette poterie ; ce phénomène peut mettre plusieurs mois à
s'accomplir. Si la température de cuisson de cette poterie avait été assez élevée pour
transformer la chaux en silicate, ce dernier formerait des coulures verdâtres.
Les marnes sont des mélanges de carbonate de chaux et d'argile ; si elles sont trop
argileuses, elles ne peuvent plus servir de dégraissant pendant le façonnage et le
séchage ni de fondant à la cuisson.
Tous les fondants calcaires où la chaux est à l'état de carbonate font effervescence
aux acides contrairement où celle-ci est à l’état de silicate que l’on trouve dans
l’anorthite et le laitier de haut fourneaux.
La chaux employée seule ne peut amener la vitrification complète des pâtes, mais
en mélange avec des alcalis et en proportion assez faible, elle peut donner de bons
résultats surtout dans les pâtes alumineuses.
Le phosphate de chaux provient de la calcination des os de bovins. C’est un fondant
énergique très employé en Angleterre pour les porcelaines tendres.
L’oxyde de fer existe dans presque toutes les matières premières : argiles, sables,
roches, employées en céramique.
Les ocres sont des argiles contenant beaucoup d’oxyde de fer qui s’y trouve parfois
à l’état de carbonate.
Le fer possède la propriété de donner deux séries de composés ; cette particularité
se continue à la cuisson suivant l’atmosphère des fours.
En cuisson oxydante, les pâtes sont jaunes ou rouges ; en cuisson réductrice elles
sont grises ou noires. Dans ce dernier cas l’oxyde de fer est beaucoup plus énergique
dans sa fonction de fondant qu’en atmosphère oxydante.
Un grand nombre d’argiles contiennent des pyrites de fer qui fondent à la cuisson et
forment des taches et des coulures. Il est donc indispensable d’épurer les argiles dans les
fabrications un peut soignées.
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