دورة إعداد صناع السيراميك فى صناعة بلاط السيراميك ( الجزء الأول مقدمه عن المنتجات السيراميكيه )

الجزء الأول: مقدمة عن المنتجات السيراميكية

Module 1: Introduction to Ceramic Products

الموضوعات الرئيسية:

- نشأة المنتجات شبه السيراميكية.

- اكتمال تعرف الإنسان على الصناعات السيراميكية.

- موقعها بين الصناعات الفلزية واللدائنية.

- أسباب تعثرها وتأخر نموها وتقدمها.

- اكتشاف أهميتها المتفردة في مجالات بعينها.

- الانطلاقة الكبرى نحو التحديث والتطوير.

- التقسيمات النوعية للمنتجات.

- المصطلحات الفنية.

النتائج المتوقعة:

- الإحاطة العامة بموقع وخصائص المنتجات السيراميكية بين المنتجات الأخرى.

- تعميق المعرفة بنسق الإنتاج المميز للصناعات السيراميكية.

- توحيد المفاهيم ومعاني المصطلحات الفنية المتداولة.

مقدمة:

يقسم علماء التاريخ مراحل تقدم ونمو الحضارة الإنسانية تبعا لشيوع وسيادة نمط معين من طرق وأساليب الإنتاج إلى العصر الحجري، العصر البرونزي، العصر الحديدي، العصر الفولاذي، عصر اللدائن والراتنجات وصولا إلى العصر الحديث بإنجازاته النووية وإرهاصاته النانومترية والفيمتومترية. وإذا ما عرفنا أن المنتجات السيراميكية تمثل البداية والمحرك الدافع لمسيرة التطور بالنسبة للعصر الحجري، لأدركنا على الفور ليس فقط مدى قدمها وأسبقيتها بل ودورها المحوري في نشأة وبزوغ ما تلاها من منتجات.

في هذا الصدد يمكن إجمال القول بأن الإنسان طوال مسيرته قد توصل – بخلاف المنتجات البيولوجية (Biological products) – إلى استنباط ثلاث أنواع رئيسية من المنتجات هي على الترتيب: السيراميكيات (Ceramics)، الفلزات والسبائك (Metals & Alloys)، اللدائن والراتنجات (Polymers & Resins)، وقد يضاف قسم رابع تحت مسمى مواد متوالفة (Composites) حيث يتم فيها الجمع بين أكثر من نوع منها، يبين الشكل رقم (1-1) بعض الأمثلة للأقسام المختلفة. ونظرا للاختلاف البين للخواص الجوهرية لتلك المواد أقيمت صناعات كبرى منفصلة لكل منها للحصول على منتجات متنوعة تغطي احتياجات الإنسان المختلفة في كافة المجالات. حيث تختص المواد الفلزية بالتطبيقات التي تتطلب مستويات عالية من المتانة الميكانيكية أو التوصيل الكهربي أو الحراري في حين تلبي المواد اللدائنية الاحتياج إلى خفة الوزن والعزل الكهربي وإلى حد ما العزل الحراري وكذلك مقاومة الأحماض بينما تتوافق المنتجات السيراميكية مع شروط تلزم توفر المتانة الميكانيكية ومقاومة الأحماض وعوامل البري بالإضافة إلى العزل الكهربي والحراري.

وقد دلت الدراسات الانثروبولوجية من خلال متابعة الحفائر والأعمال الاستكشافية على توصل الإنسان منذ فجر التاريخ إلى صنع منتجات شبه سيراميكية بسيطة قبل اكتشافه للنار وذلك بملاحظته أن الأرض الطينية تكتسب بعد سقوط الأمطار عليها صفة اللدونة (Plasticity) التي تجعلها قابلة للتشكل والاحتفاظ بآثار أقدام الإنسان والحيوان عليها ثم تتحول بعد الجفاف بتأثير أشعة الشمس إلى كتلة صلدة متماسكة ذات متانة معقولة. أدى ذلك إلى تولد فكرة استبدال المأوى الآمن في أعالي الأشجار والكهوف إلى بناء المسكن الأكثر أمانا وراحة باستخدام النموذج الأولى للطوب الني (اللبن). هذا، وقد شهدت نفس المرحلة توصل الإنسان إلى عمل أدوات ذات أشكال بسيطة مجوفة (Hollow wares) كالكرة والأسطوانة استخدمها كأواني لحفظ الحبوب والبذور على مدار العام وكذلك في عمل الأيقونات والتمائم الدينية والروحانية. وبعد اكتشاف النار انتقل الإنسان إلى عصر جديد كان أول إنجازاته استكمال وسائل تصنيع منتجات سيراميكية كاملة عن طريق الحريق فأمكن بذلك الحصول على أدوات غير منفذة لحفظ السوائل والزيوت بالإضافة إلى التوصل لمنتجات أخرى مثل البلاطات السيراميكية (Ceramic tiles) ذات متانة وصلادة ميكانيكية تفوق بكثير الأدوات البدائية الأولى.

ثم عرف الإنسان بعد ذلك كيفية استخلاص بعض الفلزات مثل النحاس والذهب والفضة من خاماتها الأولية عن طريق صهرها بالحرارة وسبكها في أشكال وأدوات متعددة الأغراض. ومع توالي مسيرة التطور والتقدم وظهور البترول في العصر الحديث وعن طريق الصناعات البتروكيميائية تم التوصل للنوع الثالث من المواد وهو الخاص بالمنتجات اللدائنية والتي تشكل مشتقات البترول المادة الأولية في صناعاتها. وتجدر الإشارة هنا إلى أن الإنسان في سعيه المستمر لتحسين أو إكساب صفات بعينها للمنتجات التي يستخدمها أو عندما يتطلب الأمر الجمع بين صفات لا يفي بها نوع معين من المواد فقد لجأ إلى الجمع بين نوعين أو أكثر من المواد لإنتاج مواد مركبة متوالفة (Composites) تتميز بخواص تفوق تلك الخاصة بكل مادة على حدة.

بهذا العرض التاريخي شديد الإيجاز يمكن فهم التسلسل المنطقي لتعرف الإنسان على المواد المصنعة والذي ينطوي على مفارقة لافتة للنظر، فرغم أن الأدوات السيراميكية تمثل البداية الأولى لطريق الإنتاج الطويل الممتد إلى عصرنا الحديث، إلا أن طرق ووسائل إنتاجها ظلت إلى حد كبير حتى أربعينات القرن الماضي بعيدة نسبيا عن يد التطوير والتحديث اللذين لحقا بالصناعات الفلزية واللدائنية الأحدث منها.

وقد أصبح في حكم المؤكد الآن أن الحضارات القديمة كالمصرية والإغريقية والصينية والفينيقية والأشورية والرومانية والهندية قد توصلت إلى تصنيع المنتجات السيراميكية لاستخدامها في الأغراض المختلفة قبل معرفتها بمنتجات المواد الأخرى بأزمنة طويلة. إلا أنها قد ظلت في إطار الأنشطة الحرفية التي تمثل الذات الخاصة لكل حضارة. ولا يتم تداولها مع الغير وإنما تنقل داخليا بالتوارث اعتمادا على المهارة الحسية والخبرة المكتسبة للحرفيين القائمين عليها بعيدا عن التناول العلمي المبني على المعرفة الموضوعية والمنهج التجريبي التي حظيت بهما الصناعتين الأحدث، من هنا يمكن إجمال الأسباب الرئيسية في تخلف الصناعات السيراميكية وتأخر عمليات التحديث والتطوير بها إلى النقاط الرئيسية التالية:

1- قدمها المتناهي بعشرات القرون قبل الميلاد رسخ في الأذهان المفهوم الخاطئ عن بدائيتها وبساطتها كعمل حرفي بحت.

2- قيامها بصفة أساسية على خامات طبيعية طينية ورملية وجيرية تتميز بالتنوع والاختلاف الكبير في صفاتها الكيميائية والفيزيائية.

3- ما يترتب على تنوع واختلاف موادها الأولية من ضرورة تعدد وتباين وسائل الميكنة والأتمتة (Mechanization, Automization) وهما عماد التحديث والتطوير.

4- ظلت لفترة طويلة تعاني من القلة النسبية لعدد المهندسين والفنيين المؤهلين المهرة المشاركين في مجالها.

إلا أنه في بداية النصف الثاني من القرن العشرين ومع تعاظم ثورة العلم والتكنولوجيا وظهور الحاسب الآلي واقتحام الإنسان لعصر الفضاء وكذلك بروز علم المواد الحيوية التي يتم زراعتها داخل جسم الإنسان تولدت الحاجة إلى منتجات تفي بمتطلبات خاصة محددة لا يمكن توافرها إلا باستخدام مواد سيراميكية ذات كفاءة فائقة وثبات عال في الخواص. لهذا شهدت الصناعات السيراميكية (منذ ذلك الوقت) انطلاقة كبرى من خلال الدراسات والبحوث المكثفة أدت إلى التغلب على كافة المعوقات السابق ذكرها.

ولكي تكمل الإحاطة والمعرفة الدقيقة يجب الإلمام بما طرأ على اصطلاح "صناعات سيراميكية" من تطور وتغيير، فكلمة سيراميك (Ceramics) مشتقة من الكلمة اليونانية (Keramos) وهي تعني المنتجات التي تم تصنيعها من مواد طبيعية أرضية باستخدام النار في تسويتها. وكان المفهوم القديم يعني المواد الطينية (Clays) فقط تم تطور التعريف ليشمل كل المنتجات المصنعة بتشكيل وحريق المواد الطينية المخلوطة بمساحيق مواد أخرى مثل الفسبار (Feldspar) و الكوارتز(Quartz) والتلك (Talc) والحجر الجيري (Limestone) وغيرها من المواد الطبيعية الأخرى بشرط ألا تكون عضوية (Organic) أو فلزية (Metallic). واليوم ومع النمو المطرد لمنجزات العلم والتكنولوجيا،وأثر ذلك على عمليات الإنتاج الصناعي اتسع التعريف ليشمل مالا حصر له من المواد والمنتجات. وتجاوز ذلك لكي يتضمن أيضا التعبير عن نسق محدد لطريقة من طرق الإنتاج المعروفة حاليا باسم تكنولوجيا المساحيق (Powder technology) والتي تشتمل بصفة عامة على المراحل الاثني عشر التالية:
1 - التحجير (Quarrying)
2- التشوين (Storing)
3 - التكسير (Crushing)
4 - الطحن (Grinding)
5- التنسيب (Proportioning)
6- الخلط (Mixing)
7- الربط (Bonding)
8- التشكيل (Shaping)
9- التجفيف (Drying)
10- الحرق (Firing)
11- الفرز (Sorting)
12- التصنيف (Classifying)

ومن الجدير بالذكر إيضاح أن عمليات التحديث والتطوير اشتملت دائما على تطبيق أحدث النظريات إلى جانب الانتفاع بالتعديلات المستمرة التي يتم إدخالها على الآلات والمعدات الخاصة بكل مرحلة بدءا من طريقة التحجير والتشوين حتى مرحلة الحريق والفرز. ساعد ذلك في فرض نظام متكامل محكم لضبط جودة المنتج النهائي فضلا عن إمكانية تطويره وإكسابه صفات غير مسبوقة. فعلى سبيل المثال، أدى استخدام الأفران النفقية (Tunnel kilns) والمكوكية ( Shuttle kilns) والدرافيلية (Roller kilns) الحديثة بدلا من الأفران التقليدية ذات الإنتاج المتقطع (Intermittent production)إلى خفض كبير في التكلفة الصناعية من خلال التحول إلى الإنتاج الكمي المستمر (Continuous mass production) بالإضافة إلى السرعة العالية لدورة الحريق (Fast firing cycle) نتيجة لزيادة السيطرة على التوزيع الحراري (Heat distribution) داخل تلك الأفران.

ونظرا للتنوع الكبير للمنتجات السيراميكية أصبحت عملية تصنيفها يشوبها كثير من الخلط واللبس بسبب كثرة واختلاف المعايير والأسس التي يمكن أن يقوم عليها هذا التصنيف. إلا أنه يمكن القول بأن التقسيم الأكثر قبولا والمأخوذ به الآن على المستوى العالمي هو ذلك الذي يأخذ في الاعتبار عاملين هامين هما نوع المادة الأولية المستخدمة وكذلك المجال التطبيقي للمنتج النهائي، هذا ويمكننا تصنيف المنتجات السيراميكية إلى خمسة أقسام رئيسية كما يوضحها الشكل رقم (1-2) وهي:

1- الخزفيات أو الفخار (Pottery)

وتشمل المنتجات المصنعة بصفة أساسية من ثلاث خامات أولية هي الطينات والفلسبار والكوارتز ولذلك تسمى أيضا بالمنتجات ثلاثية المحور (Triaxial wares) ومن أمثلتها البورسيلان (Porcelain) والأدوات الصحية (Sanitary wares) وبلاط الحوائط (Wall tiles) وأدوات المعامل (Laboratory wares) والتحف الفنية (Art wares).

2- مواد البناء (Building materials)

وهي عادة المنتجات الداخل في تركيبها نسبة عالية من الطينات ويطلق عليها أيضا المنتجات البنائية (Structural wares) ومنها طوب البناء (Building bricks) ومواسير الصرف الصحي (Sewer pipes) وبلاط الأرضيات (Floor tiles) والأسمنت (Cement) والجص (Plaster).

3- الحراريات (Refractories)

وتتميز تلك المنتجات بثباتها ومقاومتها العالية لفعل الحرارة المرتفعة ولذلك تستخدم في تبطين الأفران المستخدمة في الصناعات المختلفة كالأسمنت والزجاج والحديد والصلب وكافة العمليات الخاصة بالمعالجة الحرارية. وهي بصفة عامة تنقسم إلى حمضية (Acidic) مثل الطوب الناري ( Fireclay bricks) و السيليكا (Silica) ومتعادلة (Neutral) كحراريات الكرومايت (Chromite) وقاعدية (Basic) مثل حراريات الماجنيزايت (Magnesite)، وكل من هذه الأنواع يلائم الاستخدام في تطبيقات بعينها اعتمادا على الظروف الكيميائية السائدة أثناء عملية الحرق وكذلك على درجة الحرارة المستهدفة.

4- السيراميكيات الخاصة (Specialized ceramics)

وهذا النوع يتطلب إنتاجه درجة عالية جداً من النقاء للخامات المستخدمة وكذلك يحتاج إلى طرق ومعدات تشغيل غير تقليدية كالتشكيل بالضغط الأيزوستاتيكي (Isostatic pressing) أو بالحقن (Injection moulding) أو الحرق أثناء الضغط (Hot pressing). الأمر الذي يمكن معه الحصول على منتجات ذات أشكال غير نمطية إلى جانب تمتعها بخواص فيزيقية وكيميائية وميكانيكية وأحيانا كهربية أو مغناطيسية عالية الثبات والتجانس تتطلبها تطبيقات بعينها. لهذا يطلق على هذا النوع أيضا اسم السيراميكيات عالية التقنية (High technical ceramics) ومن أمثلتها أشباه الموصلات (Semi conductors) والعوازل الكهربية (Electrical insulators) وأحجار الجلخ (Grinding discs) والألياف الضوئية (Optical fibers) وألياف التسليح (Reinforcing fibers).

5- السيراميكيات المتقدمة (Advanced ceramics)

وهي المرحلة الأعلى من السيراميكيات الخاصة اللازمة للوفاء باحتياجات الاستخدام في المجالات متناهية الحساسية مثل المفاعلات النووية والطب الحيوي والدفاع الحربي والصناعات الاليكترونية وسفن الفضاء، لذا فإنها لا تصنع من خامات طبيعية مباشرة وإنما تعتمد على مواد أولية يتم تخليقها صناعيا (Synthesized materials) ويستخدم في إنتاجها طرق ووسائل تشغيل مبتكرة مثل الاستخلاص بالتجميد (Freeze extraction) وتكنولوجيا النانو (Nanotechnology) لإكسابها صفات غير مسبوقة (Tailor-made) عالية الدقة والانضباطية، ومن أمثلة تلك المنتجات وقود المفاعل النووي (Nuclear fuel) والسيراميكيات الحيوية (Bioceramics) والدروع المصفحة ( Shielding armours) وخلايا الوقود الصلبة (Solid fuel cells) والموصلات فائقة الكفاءة (Superconductors).

في هذه المقدمة التي حوت الإطار العام للصناعات السيراميكية من حيث النشأة والتنوع والتطور، تجدر الإشارة إلى أن التصنيفات للأقسام المختلفة لا تحدها فواصل قاطعة وإنما يوجد في أغلب الأحيان تدرج فيما بينها والذي قد يصل إلى حد التداخل كما في حالة بلاط الأرضيات، الذي بحكم نوعية مكوناته يتبع بلا شك الخزفيات ولكنه تم إدراجه أيضا تحت قسم مواد البناء، والسبب في ذلك هو التأكيد على اختلافه البين من حيث زيادة السمك وكذلك ارتفاع نسبة المكون الطيني له عن القيم المناظرة لبلاط الحوائط.

يبقى لاستكمال العرض والإيضاح تناول المنتجات الخزفية (Pottery) ببعض التفصيل. قد سبق معرفة أنها أيضا تسمى "المنتجات ثلاثية المحور" لقيام مكوناتها التركيبية بصفة أساسية على ثلاث خامات أولية هي الطينات والفلسبار والكوارتز، ولكل من هذه المواد دورها الخاص الذي تلعبه في مراحل التصنيع المختلفة. حيث تضفي المادة الطينية خواص اللدونة (Plasticity ) اللازمة لتشكيل الأجسام وأيضا تعمل على تماسكها بعد جفافها علاوة على أنها تتفكك إلى أكسيدي السليكون والألومنيوم عند الحرق اللذان يعملان من خلال تفاعلهما الكيميائي مرة أخرى (مع بعضها أو مع غيرهما من المواد المضافة) عند درجات الحرارة العالية على المساهمة في تسوية وإنضاج (Maturity) الأجسام المشكلة. ومن ناحية أخرى، يعمل الفلسبار كمادة صهارة (Flux) تسرع وتخفض من درجة الحرارة اللازمة للتسوية المطلوبة، بينما يؤدي الكوارتز دور العمود الفقري (Backbone) المانع لاعوجاج أو انهيار الجسم المشكل أثناء حرقه. ويؤدي اختلاف نوع الطينات ودرجة نقائها هي وباقي المكونات وكذلك كمياتها النسبية في خلطة الجسم بالإضافة إلى درجة حرارة الحرق المستخدمة، إلى منتجات شديدة الاختلاف والتباين من حيث الخصائص المميزة ومجالات الاستعمال كما يبينها الشكل رقم (1-3). فاستنادا إلى ثلاث خواص أساسية وهي البياض (Whiteness) ودرجة المسامية (Porosity) ونصف الشفافية (Translucency) تقسم الخزفيات إلى ثلاثة أنواع، كي تحتل مواقع مختلفة داخل المخطط الثلاثي
(Ternary diagram) للطينات – الفلسبار – الكوارتز ] شكل رقم (1-4)[.

الأول: الخزف الصيني (Porcelain) ويتميز بعدم المسامية مع درجة بياض ناصعة وتوفر خاصية نصف الشفافية. وعلى هذا يلزم لتصنيعه مكونات أولية عالية النقاء وتسويته تتم في درجات حرارة مرتفعة لا تقل عن 1350°م، وهو على الأغلب مغطى بطلاء زجاجي سطحي (Glaze) ومن أمثلته أدوات المائدة الفاخرة والتحف الفنية الراقية وأيضا يشمل عوازل الجهد العالي الكهربية وفي هذه الحالة لا يشترط خاصية نصف الشفافية.

الثاني: الخزف الحجري (Stoneware) ويشترط فيه ألا تزيد نسبة المسامية عن 3% مع عدم الأخذ في الاعتبار للون الجسم أو خاصية نصف الشفافية ولذلك يتم إنتاجه بخامات متوسطة الجودة والنقاء وعند درجات حرارة متوسطة لا تزيد عن 1250°م. وفي بعض الأحيان يتطلب الأمر تصنيعه بلون أبيض، وفي هذه الحالة يسمى خزف حجري أبيض ومن أمثلة هذا النوع أدوات المائدة متوسطة الجودة وكذلك الأدوات الصحية المتزججة (Sanitary vitreous china) وأيضا بلاط الأرضيات المعروف تجاريا (بالبورسيلان)، وأحياناً يتم تغطية سطح هذا النوع بطلاء زجاجي.

الثالث: الخزف الأرضي (Earthenware) ولا يشترط في هذا النوع امتلاكه لأي من الصفات المذكورة، ولكن الأمر يتطلب ضرورة توفر حد أدنى من المتانة الميكانيكية تبعا للمجالات التطبيقية المصمم لها، ولهذا فهو يجمع في إنتاجه بين خامات أولية منخفضة الجودة وأيضا درجات حرارة (حريق) منخفضة المستوى لا تزيد عن 1150°م ، ويتضمن هذا النوع أدوات المائدة الشعبية وبلاط الحوائط والأدوات الصحية منخفضة الجودة ونظراً لارتفاع درجة مسامية هذا النوع فإنه دائما مغطى بطلاء زجاجي سطحي لمنع نفاذية السوائل.

والله لا اعلم كم اشكرك وااسف ان لم ارد فى بعض المواضيع وجزاكم الله عنا خيرا

بارك الله فيك أخى محمود ويسعدنا انضمامك لنا ونأمل أن تكون عضو فعال حتى يحدث تفاعل بين الجميع مما سيجعل للملتقى حضورا قوى على الشبكه وحتى نستطيع أن نستكمل المشوار ونحقق ما نبتغيه تحياتى لك وجزاك الله خير على التواجد الطيب واتمنى ان تستفاد معانا استفاده طيبه