Keramik

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Begriffsklärung und charakteristische Merkmale der Keramik

Das Wort Keramik stammt aus dem Altgriechischen. "Keramos" bezeichnete sowohl ein gebranntes Tongefäß, als auch das Tonmineral selbst. Heute steht der Begriff ebenfalls für den Werkstoff und die daraus gebrannten Gegenstände. Diese können Gefäße und Dekorationsobjekte sein, aber auch Werkzeuge oder Baustoffe. Hinzu kommen der große Bereich der Sanitärkeramik mit Fliesen, Toilettenschüsseln etc. sowie die Hightech-Produkte der Ingenieur-Keramik. Da im Vergleich zu Metallen eine Abgrenzung bei keramischen Werkstoffen und Erzeugnissen schwierig ist, wird der Begriff im Folgenden so verwandt, wie ihn das "Lexikon der Chemie" (Spektrum - Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin) definiert. Danach handelt es sich bei Keramik um ei

nen nichtmetallischen, anorganischen Werkstoff aus verschiedenen Komponenten. Diese Ausgangsstoffe werden entsprechend vorbehandelt (zerkleinert, gemischt, mit Wasser vermengt), dann in die gewünschte Form gebracht, getrocknet und gebrannt. Die eigentliche Stoffumwandlung erfolgt bei hohen Temperaturen um 1000-1200 °C. Erst durch diese sogenannten Sinterprozesse erhalten keramische Produkte ihre charakteristischen Eigenschaften wie Formbeständigkeit, hohe Temperaturresistenz und Druckbelastbarkeit. Anders als das Ausgangsmineral Ton ist Keramik nicht wasserlöslich und wird auch von Salzlösungen, Säuren und Laugen kaum angegriffen.

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Übersicht über die Keramikarten

Der Einfachheit halber werden Werkstoffe und Erzeugnisse in Grob- und Feinkeramik unterteilt. Als Grobkeramik gelten die klassischen Töpferwaren sowie Steinzeug für Fliesen, Klinker, Kanalisationsrohre und die Baukeramik mit Ziegeln, Tonrohren,Terracotta-Platten. Feuerfeste Keramik wird dabei nochmals unterteilt in silikatische Keramik wie Schamotte, Forsterit, Silikatstein und nichtsilikatische Keramik wie Silit, Magnesit, Dolomit und Sinterkorund. Bei der Feinkeramik ist natürlich das Porzellan angesiedelt. Neben Hart- und Weichporzellan für Geschirr, Figuren etc. findet man hier auch Sanitärporzellan und Dentalporzellan für den Einsatz in der Zahnmedizin. Im Gegensatz zum "normalen" Steinzeug wird das Feinsteinzeug für technische Keramik zur Feinkeramik gerechnet. Auch hier unterscheidet man silikatische (Feinsteinzeug, Elektro- und Zirkonporzellan) und nichtsilikatische Keramik. Zu letzterer zählen neben Oxidkeramik, Kondensatorkeramik, magnetischer Keramik und Kohlewerkstoffen auch die Hochtemperaturaggregate auf der Basis von Carbid, Borid, Nitrid und Silizid.

Rohstoffe zur Keramikherstellung

Lange Zeit beschränkten sich die Ausgangsstoffe auf die Tonmineralien Ton und Kaolin. Bei diesen unverfestigten Sedimentgesteinen handelt es sich um feinkörnige, weiche Aluminium-Silikat-Verbindungen. Tone sind zumeist von Natur aus bereits geschlämmt. So wie man sie aus der Erde gewinnt, können sie direkt weiterverarbeitet werden. Man setzt lediglich Quarz, Sand oder gebranntes Tonmehl als Magerungsmittel zu, um den Materialschwund beim Trocknen und Brennen zu verringern. Daneben wird Feldspat als Flussmittel verwendet, das die benötigte Sintertemperatur senkt. Farbstoffe in Form von Metalloxiden oder keramischen Pigmenten können ebenfalls schon vor dem Brand zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zum Ton müssen die Kaoline vor der Weiterverarbeitung erst vermahlen und durch Aufschlämmen von groben Bestandteilen gereinigt werden. Kaolinit ist ein Verwitterungsprodukt des Feldspats und Hauptbestandteil des Gesteins Kaolin. Jene Kaoline, die kaum Eisen oder Titan enthalten, bezeichnet man als "weißbrennende Tone". Daher ist das Aluminiumsilikat Kaolin auch unter dem Namen "weiße Tonerde" (Bolus alba) bekannt. Als Porzellanerde spielt sie die wichtigste Rolle bei der Porzellanherstellung.

Heute dienen neben Ton und Kaolin noch eine ganze Reihe weiterer Rohstoffe zur Herstellung von Keramik. Zu nennen sind vor allem Carbide, Nitrite, Oxide und Silizide. Gesintertes Aluminiumoxid (Sintertonerde oder Sinterkorund) wird wegen seiner Schlagfestigkeit und Temperaturbeständigkeit für Werkzeuge zum Umformen, Schneiden und Zerspanen eingesetzt. Aufgrund der diamantartigen Struktur ist jedoch Siliziumcarbid das wichtigste Ausgangsmaterial für Ingenieur-Keramik gefolgt von Bor- und Titancarbid. Bei der Herstellung keramischer Pulver bietet die Polymer-Pyrolyse erhebliche Vorteile. Diese thermische Umwandlung von hochmolekularen Silizium-Verbindungen liefert hochreine Substanzen, benötigt jedoch wesentlich niedrigere Temperaturen als das Sintern. Zudem kommen beispielsweise mit der Pulvermetallurgie neue Technologien zum Einsatz, mit deren Hilfe neuartige keramische Werkstoffe erzeugt werden können. Aufgrund ihres hohen Metallgehalts sind diese jedoch nicht mehr zur Keramik zu rechnen, sondern zu den Verbundwerkstoffen.

Verschiedene Verfahren zur Form- und Farbgebung

Die industrielle Produktion technischer Keramik oder Porzellan erfolgt in der Regel als Nassaufbereitung. Dabei werden die Rohstoffe in Trommelmühlen vermahlen und durch Verrühren mit Wasser in fließfähige Suspensionen überführt. Der entstehende dünnflüssige Schlicker kann nun durch Gießen in Gipsformen, in Drehautomaten oder im Spritzgießverfahren mit porösen Kunststoffformen weiterverarbeitet werden. Im Gegensatz zu diesen maschinellen Fertigungsprozessen sind die manuellen Verfahren uralt. Die Technik, den Ton durch Modellieren oder auf der Töpferscheibe in Form zu bringen, entstand etwa zeitgleich mit Entwicklung des Ackerbaus. An der Vorgehensweise hat sich heute nichts geändert. Ein Klumpen Ton wird befeuchtet, durchgeknetet und anschließend geformt oder gedreht. Bei der Wurst- und Plattentechnik baut man das Gefäß aus einzelnen Wülsten oder Platten auf, die mittels dickflüssigem Tonschlicker aneinandergefügt werden. Die Wandstärke sollte nicht mehr als drei Zentimeter betragen. Dickere Objekte müssen vor dem Trocknen ausgehöhlt werden. Schneiden, einkerben oder verzieren kann man sie jedoch erst nach dem Trocknen.

In diesem lederharten Zustand kann der Ton auch schon eingefärbt werden. Das geschieht durch Bemalen mit oder Eintauchen in Engobe. Dabei handelt es sich um flüssigen Tonschlicker unterschiedlicher Farbgebung. Wie die Farbe am Ende aussehen wird, zeigt sich jedoch erst nach dem Brennen. Diese Schlickermalerei kannte man schon in der Antike. So verwendeten die Römer spezielle Engoben, die den Ton weniger wasserdurchlässig machten. Später wurden sogenannte Sinterengoben entwickelt. Das sind Mischungen aus färbenden und glasierenden Substanzen, die ebenfalls im ungebrannten Zustand aufgetragen werden. Die enthaltenen Metalloxide verleihen dem Tonkörper einen leichten Glanz. Seit dem Spätmittelalter wurde Steinzeug mit Kochsalz "glasiert". Echte Glasuren können dagegen erst nach dem ersten Brand aufgebracht werden. Der Überzug mit diesen glasartigen Partikeln macht den Ton nahezu wasserdicht. Zudem lässt sich die glatte Oberfläche glasierter Gegenstände leichter reinigen. Für Aufglasur-Malerei oder Siebdrucke benötigt man sogar einen dritten Brand (Dekorbrand). Aufgrund der hohen Stromkosten lohnt sich diese Vorgehensweise nur bei hochwertigem Porzellangeschirr oder Kunstobjekten.

Trocknen, Härten, Brennen und Sintern

Vor dem Brennen müssen Keramiken erst eine bestimmte Zeit trocknen. Dieser Prozess ist so zu steuern, dass keine Risse entstehen. In speziellen Trockenkammern oder Tunneltrocknern verdunstet das sogenannte Porenwasser, und das Material schrumpft. Gleichzeitig härten die Gegenstände aus. Sie sind jedoch immer noch sehr porös und keinesfalls wasserfest. Nach dem Trocknen wird der nun lederharte Ton einmal oder mehrfach gebrannt. Der Brennvorgang findet bei Temperaturen zwischen 800 und 1600 °C in Rund-, Ring- oder Pendelhaubenöfen statt. In der Porzellanindustrie kommen Tunnelöfen zum Einsatz. Flache Gegenstände wie Fliesen und Kacheln brennt man in Rollenöfen. Das Brennen setzt verschiedene physikalische und chemische Vorgänge in Gang. Zunächst verschwindet das chemisch gebundene Wasser (Dehydratisierungsreaktion). Danach laufen Schmelz- und Sinterprozesse ab, wodurch neue chemische Verbindungen entstehen. Durch die polymorphe Umwandlung im ersten Brand (Roh- oder Schrühbrand) bei weniger als 1000 °C wird der Gegenstand hart und wasserfest. Der Ton ändert seine Eigenfarbe. Wurde Engobe aufgetragen, erscheint jetzt der gewünschte Farbton. Sind Glasuren bei Töpferwaren oder Dekors für Porzellan erwünscht, ist ein Zweitbrand bei höheren Temperaturen um die 1400 °C notwendig. In diesem Glattbrand wird der Scherben gleichzeitig verdichtet.

Beim industriellen Sintern läuft der gesamte Produktionsprozess in nur einem Schritt ab. Dabei werden die Ausgangsstoffe mehr oder weniger fein vermahlen und als Granulat oder Pulver direkt in Form gebracht. Das Verpressen geschieht zumeist bei Raumtemperatur unter hohem Druck (hydraulisches Pressen). Wenn kein Druck eingesetzt wird, erhält man sehr poröse Gegenstände, was für manche Anwendungen durchaus erwünscht ist. Das Pressen selbst kann einseitig, zweiseitig oder isostatisch erfolgen. Manche Teile werden auch durch Walzen geformt. Die Werkstücke haben danach nur einen losen Zusammenhalt. Ihr Gefüge wird erst durch die anschließende Wärmebehandlung - das eigentliche Sintern - stabil. Dabei zersetzen sich die Tonminerale und bilden den sogenannten "Scherben", in dem die Kristalle verbunden und durch glasige Bestandteile verkittet sind. Um Verunreinigungen zu vermeiden, findet das Sintern zumeist unter Schutzatmosphäre statt. Modernste Ofentechnik erlaubt Temperaturen bis 2.400 °C.

Materialeigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten

A. Gebrauchskeramik

Gebrauchsgegenstände aus gebranntem Ton gibt es seit der Jungsteinzeit. Porzellan aber ist weit jünger. Ab 700 nach Christus ist der Abbau von weißer Tonerde nahe der chinesischen Stadt Gaoling überliefert. Von diesem Fundort leitet sich der Name Kaolin ab. Während der Ming-Dynastie (1368-1644) stand die Porzellanherstellung in voller Blüte. Zwar kam Porzellan bereits mit Marco Polo nach Europa, doch die Chinesen hüteten ihr Geheimnis. Erst 1708 gelang es Böttger und Tschirnhaus in Meißen das "weiße Gold" neu zu erfinden. Porzellan besteht im Wesentlichen aus Kaolin, Quarz und Feldspat. Das Material ist heller und härter als andere Keramikarten, da der Feldspat nach dem Sintern nicht wieder auskristallisiert. Diese "unterkühlte Schmelze" verleiht Porzellanobjekten eine gewisse Transparenz. Besonders hochwertiges, sehr dünnes "Knochenporzellan" (Fine Bone China) wirkt nahezu durchscheinend. Sein strahlendes Weiß erhält es durch den Zusatz von Rinderknochenasche. Natürlich war teures Porzellan lange Zeit nur Fürsten- und Königshäusern vorbehalten. Heute können die kostbaren Schätze in Museen oder in den Schauräumen der Meißener Porzellanmanufaktur bewundert werden. Bei preiswertem Haushaltsgeschirr handelt es sich dagegen oft um Steinzeug. Steinzeug wird höher gebrannt als Steingut. Bei Temperaturen um 1300 °C verglast es bereits beim Sintern. Damit wird der Scherben nahezu wasserdicht, härter, schlagfester und unempfindlicher. Deshalb darf Steinzeug genau wie Porzellan in die Spülmaschine. Die meisten Steinzeugprodukte sind zudem frostfest und mikrowellengeeignet. Bei den Glasuren muss man zumindest in Europa keine schwermetallhaltigen Farben wie Blei oder Cadmium mehr befürchten.

Noch bis ins 19. Jahrhundert kam im Alltag der meisten Leute einfaches Steingut auf den Tisch. Dessen Herstellung wurde im 15. Jahrhundert entwickelt, als überall in Europa fieberhaft nach der Rezeptur für chinesisches Porzellan gesucht wurde. Meist wurde diese Keramik nach ihrem Herstellungsort benannt, wie Fayence (Faenza, Italien), Majolika (Mallorca) oder Delfter Steingut. Solche Tongefäße sind spröde und von Haus aus wasserdurchlässig. Denn erst durch die Glasur beim zweiten Brand entsteht eine Schutzschicht, die kein Wasser mehr eindringen lässt. Für die Lagerung wurden seit alters her Tongefäße ohne Glasur verwendet (Terracotta = gebrannte Erde). Das hatte den Vorteil, dass der Inhalt - in der Regel Wasser oder andere Getränke - kühler bleibt, als in Glas- oder Porzellankrügen. Die eingefüllte Flüssigkeit verdunstet und sorgt für einen gewissen Kühleffekt. Das ist heute noch zum Beispiel bei Pflanzgefäßen erwünscht, da auf diese Weise Staunässe vermieten wird. Doch leider gibt es auch Nachteile. Blumentöpfe und Pflanzkästen aus Keramik sind teurer und schwerer als solche aus Kunststoff. Zudem gehen sie leicht zu Bruch und verwittern mit der Zeit. Letzteres kann schon wieder als Vorteil angesehen werden. Denn eine gewisse Patina macht Pflanzgefäße aus Keramik eigentlich noch schöner. Der beliebte Landhaus-Stil hat Tontöpfe in allen Variationen wiederentdeckt. Sie sorgen für das gewisse Toskana-Flair in Haus und Garten. Wer es eher griechisch-römisch mag, legt zerbrochene Amphoren als Dekorationsobjekte zwischen Sträucher und Stauden.

B. Technische Keramik und Sonderkeramik

Der Begriff Sinterzeug bezeichnet all' jene Werkstücke, die mittels Sintern hergestellt wurden. Zwar wird die Bezeichnung meist nur im Bauwesen für Klinker, Fliesen, Tonrohre und Steinzeug verwendet. Jedoch zählen auch offenporige Tonwaren wie Irdengut dazu. Bei Gebrauchskeramik spricht man von Irdenware. Zu dieser unglasierten Keramik gehören Terracotta, Fayencen und Majolika. Sie alle werden bei Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur zwischen 900 und 1100 °C gebrannt. Wie Steingut, so ist auch Irdenware wasserdurchlässig. Die Unterscheidung von Steinzeug und Steingut ist für den Laien auf den ersten Blick kaum möglich. Denn beide können in einem zweiten Brand glasiert werden. Mit der Zeit zeigen sich jedoch beim Steingut feine Äderchen oder gar Haarrisse in der Glasur. Die niedrige Brenntemperatur sorgt aber auch für eine gewisse Lebendigkeit der Farben vor allem in der Unterglasmalerei. Deshalb wird Steingut oftmals für Kunst- und Dekorationsobjekte verwendet, bei denen Gebrauchstauglichkeit kaum eine Rolle spielt. Porzellan punktet durch seine Härte und Beständigkeit gegenüber Laugen und Säuren auch im industriellen Bereich. Zwar lautet der Begriff eigentlich Sanitärkeramik. Hochwertige Waschbecken, Toiletten, Dusch- und Badewannen werden jedoch aus Porzellan gefertigt. Aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit spielt Porzellan als Werkstoff auch in der Elektroindustrie eine wichtige Rolle.

Keramik auf der Basis von Carbid zeigt immense Temperaturbeständigkeit sowie ungewöhnliche Resistenzen gegen Verschleiß und Korrosion. Hohe thermische und variable elektrische Leitfähigkeit unterscheiden Carbidkeramik von konventionellen Keramikprodukten. Diese außergewöhnlichen Eigenschaften erlauben vielfältige Anwendungen nicht nur in der Chemie und Energietechnik, sondern auch im Maschinenbau für Wälzlager, in der Mikroelektronik sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Ihre exakt definierte Porosität macht Carbidkeramik zum idealen Material für den Bau von Rußpartikelfiltern. Silziumcarbid hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl und wird für Wärmeaustauscher eingesetzt. Borcarbid ist fast so hart wie Diamant und punktet mit höchster Biegefestigkeit als Schneidkeramik oder in Ventilen für Automotoren. Neben dieser Ingenieur-Keramik gibt es Neuentwicklungen im Bereich Dentalkeramik und Dentalporzellan. Früher waren Porzellankronen und Füllungen aus Keramik weniger belastbar und kurzlebiger als andere Materialien. Heute halten Inlays aus Keramik fast so lange wie Goldfüllungen, wirken aber durch ihre Farbe weit natürlicher. Da sie nicht zementiert sondern eingeklebt werden, stabilisieren sie die verbliebene Zahnsubstanz. Praktischer und preisgünstiger sind neuentwickelte Komposite auf Acrylat-Basis. Als Füllstoffe kommen Glas-, Keramik- und Quarzpartikel zum Einsatz. Gehärtet wird dieser dentale Verbundwerkstoff durch von Polymerisationslampen erzeugtes Kaltlicht. Danach kann wie bei Keramik geschliffen und poliert werden.

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