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Sur cette page : La Fibrargile, article technologique de Piet Reijnen
 
 
La FIBRARGILE

par Piet Reijnen
 
 
 
Cet article technologique est proposé par Piet Reijnen, professeur de céramique industrielle à la retraite et président d'une Association loi de 1901 "L'Atelier de la Céramique", dont le siège social est à Trémoulède (24620 Les Eyzies - FRANCE).
 
Contact :
L'ATELIER DE LA CERAMIQUE
ASSOCIATION 1901
Siège Social, Trémoulède, 24620 Les Eyzies.
Tél: 00-33-(0)5 53 06 92 47 et 00-33-(0)9 77 79 89 40
Portable 0628348225
Atelier de moulage artistique : Trémoulède 24620 Les Eyzies.
Atelier de céramiques, réfractaires, fours : ZA, 46300, Le Vigan.
E-mail : atceram@wanadoo.fr
Site : http://atelceram.free.fr
 
 
 
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Applications techniques de terres ou argiles auxquelles on ajoute des fibres finement dispersées.
 
Le renforcement de matériaux en incorporant des fibres est une technique largement répandue dans beaucoup de domaines. Dans les bétons et les plâtres on ajoute des fibres polypropylène ou polyacrylonitrile (PAN) pour augmenter la résistance à la traction. Dans les résines polyester et époxy on incorpore des fibres de verre. Les fibres d'aramide servent à renforcer des caoutchoucs et pneus. Les fibres végétales, plus particulièrement le chanvre servent à renforcer les plastiques et le plâtre.
 
Cependant je n'ai pas entendu parler beaucoup de fibres dans les pâtes céramiques, pour améliorer les propriétés mécaniques du tesson en cru. C'est quelque part logique puisque les céramiques développent leurs propriétés mécaniques pendant la cuisson.
 
Il y a trois exceptions, peut-être en existe-il d'autres :
 
- On connaît depuis des millénaires le torchis (dans certaines régions on parle aussi de pisé), un mélange de terre et de paille hachée. On peut ajouter aussi du crottin de cheval, d'âne, de lama, etc., ce qui correspond également à un ajout de fibres végétales. Puisque le torchis n'est pas cuit et sert à faire des murs d'habitats, les fibres végétales servent à renforcer l'argile sèche, à diminuer le retrait au séchage.
 
- Il est à noter aussi que dans la technique ancestrale de la cire perdue, on utilise comme potée de l'argile avec de la chamotte et du crottin de cheval pour empêcher la fissuration pendant le séchage.
 
- Ensuite, un mélange d'argile et papier (fibres cellulosiques) peut être utilisé comme pâte à modeler. Dans ce cas aussi les fibres renforcent et diminuent le retrait, sans pour autant empêcher complètement le retrait. Après cuisson, la porosité est élevée, la résistance mécanique est faible. Ceci est intéressant pour faire des réfractaires poreux et isolants, surtout connus sous le nom " Paperclay ".
 
L'incorporation de fibres dans des pâtes céramiques a des avantages considérables surtout dans le domaine des arts plastiques, mais aussi pour les pratiques industrielles. C'est surprenant que la communauté céramique soit passée à côté.
Pour combler cette lacune, je donne dans cet article quelques applications prometteuses pour l'industrie et l'artisanat céramique.
 
 
 
Quelles fibres peut-on incorporer ?
 
1) La laine de verre et la laine de roche. Ces fibres sont faciles à disperser, bon marché et compatibles avec la céramique. La laine de verre a l'inconvénient d'être lessivée par l'eau présente dans la pâte et les fibres de verre perdent après un certain temps leurs propriétés, elles sont pratiquement dissoutes. Pour cette raison j'ai fait mes premiers essais surtout avec des flocons de laine de roche (taux 4%), beaucoup plus résistante à l'eau. Ensuite j'ai également abandonné la laine de roche, quand j'ai trouvé que les fibres PAN sont beaucoup plus efficaces et même plus économiques.
 
2) Les fibres de verre utilisées dans les composites. On peut les acheter sous forme de fibres courtes ou fibres broyées. Pour modifier les pâtes de porcelaine, elles conviennent parfaitement. Pour empêcher la formation de fissures dans une croûte céramique modelée sur un noyau dur, il faut une teneur de fibres de 1 à 2 %.
 
3) Les fibres végétales, plus particulièrement les fibres de chanvre, qui sont très solides. Le problème c'est de trouver de la laine de chanvre avec des fibres courtes et sans morceaux de bois. J'ai fait des essais avec des fibres obtenues en coupant du jute et aussi en triant du chanvre brut. L'intérêt pour ces fibres est surtout pour fabriquer des réfractaires. Un mélange d'argile, de farine de bois et de fibres végétales bien dispersées, permet d'obtenir des blocs qui prennent peu de retrait au séchage et donne des réfractaires poreux après cuisson. Dans ce cas spécifique la laine de roche ne convient pas, elle va diminuer la résistance pyroscopique du réfractaire. Par contre les fibres céramiques (kaowool) conviennent parfaitement pour fabriquer des réfractaires poreux et isolants. C'est la base du réfractaire AC (voir le site http://atelceram.free.fr).
 
4) Les fibres synthétiques qui sont faciles à disperser dans l'eau sont à base de polypropylène ou polyacrylonitrile (PAN). Dans le commerce on les trouve facilement sous forme de fibres hachées de taille variable (3 à 24 mm). Elles sont utilisées dans les bétons et les plâtres (dosage 1000 gr pour 1 m cube de béton). Les fibres sont tenues ensemble avec une colle qui se dissout facilement dans l'eau et ensuite les paquets de fibres se dispersent facilement. De toutes les fibres que j'ai essayées, elles sont de loin les plus efficaces et malgré leur prix élevé, l'utilisation de ces fibres est le plus économique (prix de 10 à 50 Euro le kg, selon la quantité et le fournisseur ). Une teneur de 2 pour mille de fibres PAN dans une pâte de terre est suffisante pour empêcher la formation de fissures d'une croûte de terre modelée sur un noyau dur.
 
 
 
Expériences :
 
 
Plusieurs types de fibres ont été utilisés pour voir si on peut empêcher la formation de fissures. La photo 1 montre l'organisation des essais. La pâte est modelée autour des bouts de bois cloués sur une planche. Au séchage, vers la fin, très souvent des fissures apparaissent. Seulement avec 1% de fibres de verre et avec 0,2 % de fibres polyacrylonitrile (PAN) il était possible de sécher complètement la pièce sans fissuration
 

(Voir photo 1 : Essais de retrait au séchage pour des argiles contenant des fibres à taux variables: laine de roche, fibres de verre, fibres PAN ).

Photo 1
Un autre essai très probant, consiste à mettre une croûte de terre sur un grand bol céramique mis à l'envers sur une planche. La pâte avec 1 % de fibres de verre était fissurée après séchage, par contre avec 0,2 % de fibres PAN (longueur 4mm) la croûte restait entière après séchage complet
 
(Voir photo 2 : Fibrargile sur un bol céramique après séchage complet. Fibres PAN ).
 
L'argile d'essai était l'argile de la carrière Mangieu à St Denis Catus dans le Lot. C'est une argile bon marché, pas très plastique (mélange d'illite et de quartz).
Cette pâte aux fibres se comporte donc comme une pâte à modeler. J'en ai mis une boule autour d'un bout de bois et je l'ai laissée sécher. Avec les bonnes fibres et un dosage suffisant l'argile sèche sans fissures. Ensuite j'ai enfourné l'ensemble, le bois a brûlé, la pièce céramique creuse était saine.

On peut se demander si les fibres ont empêché le retrait au séchage. Ce n'est pas sûr, puisque une plaquette de la même argile sur une planche lisse ou sur une feuille en plastique prend bien un peu de retrait, 3 à 4 %.

Photo 2
 
Voici l'explication :
 
En perdant l'eau par évaporation, les particules d'argile dans une pâte à modeler veulent se rapprocher par force capillaire ce qui se traduit par un retrait de séchage qui est de l'ordre de 3 à 5%. La force capillaire n'arrive pas à faire rapprocher les particules si l'argile est tenue mécaniquement sur son support. Par déformation plastique, l'argile peut éviter la rupture au début de séchage, mais au fur et à mesure que l'eau s'évapore, la plasticité diminue et il arrive un moment où la chaîne de particules casse à l'endroit le plus faible.
Pour un grand bloc d'argile, il faut sécher très lentement pour que l'eau ait le temps pour diffuser vers la surface. Il faut toujours maintenir peu de différence d'humidité entre l'extérieur et l'intérieur du bloc. Si on sèche trop vite, l'argile se fend en surface.
Pour cette raison on ne peut pas modeler une argile directement sur du bois ou sur une ossature solide, sinon la croûte va se fissurer en cours de séchage.
Le sculpteur mouille son travail au moment où il s'arrête à travailler et protège le sujet contre le séchage avec un sac en plastique. Tout cela est bien connu, mais en utilisant une argile contenant des fibres, la situation change complètement.
 

 

En présence des fibres, la formation d'une fissure est nettement moins probable. Le système doit fournir un travail pour arracher les fibres qui sont enrobées par l'argile. Par contre, dans le même bloc, l'argile peut toujours prendre du retrait librement dans les directions où l'argile n'est pas sous traction et la diminution du volume aura bien lieu.
Prenez le cas d'une boule d'argile autour d'un bois. Dans la direction perpendiculaire au bois, l'argile peut prendre du retrait, mais dans la direction parallèle au bois, l'argile est sous traction et les fibres empêchent la fissuration. Il y aura diminution de volume, mais il n'y aura pas de fissures.
 
(Voir photo 3 : Schéma expliquant le mécanisme de retrait au séchage sans provoquer des fissures, si la fibrargile est posée sur un noyau dur).

Photo 3
 
 
La quintessence de ce phénomène et son application risque de bouleverser les habitudes des sculpteurs, des fondeurs d'art et des céramistes.
 
J'ai fait plusieurs modelages sur une ossature pour en faire la démonstration.
J'ai rendu cette ossature très solide, car elle doit porter toute la masse d'argile. On peut ajouter des boîtes de conserves ou de canettes de bière à l'intérieur, mais dans ce cas il faut mettre deux ou trois couches de carton autour la boîte, puisque la pièce va prendre du retrait au four.
On peut travailler sur des fils de fer avec du papier autour, mais il faut prendre des tiges solides.
Le mieux est de donner une première forme à cette ossature en y ajoutant de la pâte à papier (papier mâché) ou paperclay très riche en papier. Dès que la pâte à papier est devenue assez solide pour porter l'argile, on met une couche d'argile de 20 à 30 mm. En travaillant ainsi, 0,1% de fibres PAN (Polyacrylonitrile) dans l'argile est suffisant pour éviter les fissures. J'ai pris l'habitude de doubler la dose pour être sûr dans toutes les circonstances. Puisque l'argile posée sur la pâte à papier peut prendre quand même un peu de retrait, cette méthode de travail est la meilleure et la plus sûre, et en plus facile à réaliser.
Il est évident que vous ne pouvez pas commencer à modeler sans savoir où vous allez. Le mieux est de faire une maquette du travail final en argile ou en cire pour étudier les volumes et les mouvements de la sculpture. Ce modèle vous permettra de faire une ossature appropriée.
 
Une fois le travail terminé, on laisse sécher le modelage pendant plusieurs jours avant l'enfournement. Dans le four, le bois et papier à l'intérieur brûlent et vous obtenez une pièce unique en céramique, même avec des formes les plus complexes.

 

Photo 4 : Avant de faire une ossature en bois, il convient de faire une petite maquette rapide pour déterminer la position des bois. Modèle en cire, permettant de concevoir la carcasse en bois et papier mâché
Photo 5 : Tête modelée en fibrargile sur une boîte de conserves avec du carton autour
Photo 6 : Poisson modelé sur du bois
Photo 7 : Poule sur bois et fils de fer, enrobé avec du papier
 
 
Photo 4

Photo 5
Photo 6

Photo 7
 
Une autre possibilité étonnante de la fibrargile est de pouvoir faire un estampage à l'intérieur d'un moule en élastomère, avec des contre dépouilles. J'ai fait une croûte de 1 à 2 cm, après séchage le démoulage est facile et toujours pas de fissures (Voir Photo 8).
 
Souvent le sculpteur fait un modelage en terre pour réaliser ensuite un plâtre d'atelier par moulage en creux perdu. Ce plâtre peut servir pour faire un moule en élastomère.
Si le sculpteur travaille avec une argile contenant des fibres il peut sécher et cuire un modelage à basse température, pour le mouler ensuite en RTV (Élastomère), c'est une méthode beaucoup plus directe.
 
Une autre pratique courante avec de la terre à modeler est de découper le travail en deux puis creuser l'intérieur et recoller les deux parties pour obtenir un objet creux et éviter la fissuration pendant la cuisson. Ce n'est plus nécessaire en utilisant directement la nouvelle argile sur une ossature en bois et papier.
 
On peut même faire un crépi avec la fibrargile, de préférence sur des murs à l'abri de pluie. Des ajouts de chaux et ciments peuvent être envisagés pour que le crépi soit plus résistant à l'eau. Pour des constructions en blocs de paille cette application est très intéressante.
 
 
 
 
Photo 8 : Bas reliefs obtenus par estampage de fibrargile dans un moule en élastomère.
Après séchage sans retrait, la sculpture moulée peut être libérée du moule
 
 
BARBOTINE à COULER :
 
Le coulage en barbotine d'objets creux d'une forme simple ne pose pas trop de problèmes. Il faut tout de même savoir comment préparer une barbotine et comment pouvoir corriger et tester le degré de défloculation. Dans l'industrie ce procédé est bien maîtrisé, mais peu de potiers osent s'y mettre. Des mélanges de terres et chamottes qui sont très peu plastiques ne se prêtent pas au coulage, dès que le retrait commence, en absence de plasticité, la pièce fêle dans le moule. On peut améliorer la plasticité en ajoutant une argile plastique à la barbotine. Pour cette raison, la pâte à couler dans l'industrie de porcelaine ne contient pas seulement du kaolin comme argile, mais aussi un peu d'halloysite, une terre blanche particulièrement plastique assez rare et donc relativement chère. La terre de la carrière Mangieu dans le Lot contient énormément de silice fine (quartz) et elle manque de plasticité, cependant on peut l'utiliser pour le coulage si on y ajoute au moins 10% d'une argile particulièrement plastique. Le coulage d'objets creux est relativement facile, la pièce se libère des parois en prenant du retrait. Par contre le coulage d'objets plats (bacs de douche, bas reliefs) ou d'objets très profilés sont beaucoup plus difficiles à réaliser, très souvent l'objet est fissuré dans le moule avant que le tesson céramique soit libéré.
Le comportement au coulage s'améliore fortement si on incorpore des fibres dans la pâte à couler, mais il faut prendre des fibres courtes de 3 à 4 mm environ, pour garder un écoulement correct de la barbotine. Notre barbotine à base d'argile de Mangieu avec 0,2 % de fibres PAN de 4 mm se comporte comme une merveille au coulage, même pour des pièces compliquées, puisque nous pouvons garder l'objet plus longtemps dans le moule sans risque de fissuration. Ensuite le tesson se libère facilement des parois et a assez de consistance pour que la pièce ne se déforme pas par gravitation après le démoulage. Nous conseillons vivement à tout ceux qui pratiquent le coulage en barbotine de faire un essai.
 
 
POTÉE pour CIRE PERDUE :
 
Dans ce domaine l'ajout de fibres à une argile permet de l'utiliser comme potée. Il existe plusieurs techniques pour réaliser la carapace réfractaire dans la fonderie de précision. La plus sophistiqué actuellement est l'utilisation de bains de barbotine contenant des charges minérales comme la mullite, l'alumine, le zircon, des aluminates et autres avec un ajout de silice colloïdale. L'objet en cire est trempé dans le bain pour former la première couche, éventuellement sous vide pour éviter que de petites bulles d'air entre la cire et la couche de barbotine diminuent la précision. Pendant le séchage de cette première couche, la silice colloïdale se fige. Ensuite on applique d'autres couches pour arriver à une épaisseur de 5 à 10 mm. Le décirage à lieu dans un autoclave dans lequel on injecte soudainement de la vapeur d'eau sous pression à température élevée, ce qui fait fondre la cire en contact avec la carapace, mais le procédé est tellement rapide que la cire ne monte pas en température en totalité dans son épaisseur (il existe donc un gradient de température très élevée dans la cire). Ainsi on évite que la dilation de cire détruise la carapace. La première couche de cire fondue pénètre dans la carapace poreuse et laisse la place pour que le reste de la masse de cire puisse se dilater sans provoquer de dégâts. Après cuisson à température élevée (1100 °C), le moule protégé par des fibres céramiques va recevoir l'acier réfractaire en fusion. C'est le procédé utilisé en fonderie de précision pour l'aéronautique (Rolls Roys, Thyssen Krupp, SNECMA, PCC, GE et autres…)
Ce procédé est bien trop compliqué pour le petit fondeur qui fait des bronzes artistiques mais des fonderies d'art d'une certaine importance commencent à l'utiliser.
La technique ancestrale encore appliquée dans des pays traditionnels consiste à mettre une couche d'argile sur la cire. On y ajoute des chamottes, sûrement dans le but de diminuer le retrait au séchage, mais aussi du crottin de cheval. Selon mon opinion, l'apport de crottin signifie un apport de fibres végétales qui empêchent la fissuration de l'argile au séchage. Des fibres végétales telles que la paille et le foin sont trop grossières, mais dans le crottin elles ont été déchiquetées. Pour l'homme moderne, cette recette ancienne fait sourire, mais finalement les anciens avaient trouvé le moyen d'utiliser l'argile comme potée.
Les petites fonderies d'art utilisent surtout le plâtre comme potée. On y ajoute des chamottes et éventuellement aussi de l'argile. Un tel plâtre après prise et séchage ne fissure pas à la cuisson (autour de 700 °C). La cire est complètement brûlée sans laisser de traces à cette température et le moule peut recevoir le bronze en fusion (La température du four pour fondre le bronze est autour de 1100°C).
Le plâtre cuit à 700°C n'est pas très solide, parfois le fondeur renforce son moule à l'extérieur avec un grillage à poules. Dans d'autres fabrications on coule le plâtre autour la cire sous vide, ce qui a comme résultat un moule aux parois épaisses.
La potée de plâtre présente plusieurs inconvénients. Couler du plâtre sous vide autour la cire signifie une consommation importante de plâtre et un coût énergétique élevé. D'autres fondeurs font de petites gâchées de potée et l'appliquent manuellement sur la cire, mais il y un risque de bulles d'air entre la cire et la potée qui se retrouvent plus tard comme verrues sur le bronze.
Je propose ici une nouvelle potée, économique et de grande qualité. Il s'agit d'une barbotine d'argile (éventuellement enrichie avec de la chamotte fine), à laquelle on a ajouté 0,5 % de fibres PAN. J'ai remarqué qu'une barbotine sans fibres a tendance de ne pas mouiller complètement l'objet en cire et qu'il faut utiliser un produit tensioactif pour y arriver. Par contre, la barbotine contenant des fibres couvre tout de suite la cire. Pour la première couche j'utilise une barbotine un peu plus fluide (davantage d'eau), c'est la couche de fidélisation. Pour être sûr qu'il n'y a plus de petites bulles entre cire et barbotine il faut bien secouer l'objet ou masser avec un filet d'air comprimé. Il faut que la première couche ait une épaisseur de 0,5 à 1 mm, sinon votre barbotine n'est pas assez épaisse. Laissez sécher, mais pas complètement et trempez de nouveau. Pour la troisième et quatrième couche j'utilise une barbotine plus épaisse et j'arrive ainsi rapidement à 5 mm d'épaisseur. Voir photo 9.
Après séchage complet on fait fondre la cire à 120 °C. On cuit à 700 °C. Le matériau céramique est nettement plus solide que le plâtre cuit à 700°C tout en étant bien perméable au gaz. Il y a une grande ressemblance avec la technique de carcasse à base de silice colloïdale (bains stables, immerger la cire). Nous pouvons aussi appliquer cette technique pour de la pâte de verre et des résines avec une charge minérale.
Il est à noter que le décirage peut provoquer de petites fissures dans la carapace par la dilation de la cire massive. C'est un problème résolu dans l'industrie en utilisant de la vapeur surchauffée injectée dans un autoclave pour décirer les pièces. Nous allons regarder de plus près ce problème.
 
 
 
 
 
Photo 9 : Fabrication d'un moule céramique pour fonderie.
Le modèle en cire est trempé dans une barbotine contenant 0,5 % de fibres PAN.
La présence de fibres explique la très bonne adhésion de la barbotine sur la cire
 
 
QUELQUES RECETTES ET INFORMATIONS
 
1) Dispersez les fibres PAN dans l'eau avec un mixer à grande vitesse. Ceci est seulement possible avec des fibres courtes (3 à 4 mm), les fibres longues (12 à 24 mm) seront prises autour l'axe. Ajoutez cette dispersion de fibres à une pâte de terre épaisse et continuer à mélanger dans un pétrin. On peut également ajouter la dispersion de fibres à une barbotine épaisse qui se laisse encore mélanger avec un mixeur à grande vitesse. Dans ce dernier cas on laisse sécher la barbotine épaisse sur une plaque de plâtre afin d'obtenir une pâte à modeler.
 
2) Pour faire une structure sur laquelle on peut modeler, il convient de faire d'abord une maquette (1 sur 10) en argile ou en cire. Ensuite vous vissez les bois sur une planche par le dessous. Ajoutez éventuellement des boîtes de conserves fixées avec des scotchs pour faire du volume. Bourrez avec du papier et carton. Ajoutez du papier mâché et approchez déjà la forme finale. Laissez sécher plusieurs jours par préférence en plein soleil. Ensuite mettez une couche de pâte fibrargile assez molle sur le papier mâché, épaisseur 2 à 3 cm en donnant déjà la forme finale. Laissez sécher un peu et commencez à fignoler, lissez avec un doigt mouillé, laissez sécher complètement. Une fois sèche, la fibrargile est très solide et se laisse tailler comme une pierre tendre. Vous pouvez émailler avant d'enfourner. La planche de support est enlevée en dévissant par en dessous.
 
3) Pour faire du papier mâché, déchirez des journaux ou des annuaires et laissez tremper dans beaucoup d'eau. N'utilisez pas de papier glacé. Faites-le dans un grand fait-tout et chauffez pour accélérer le déchiquetage. Mélangez avec un mixeur de cuisine (bâton de cuisine) pour obtenir une soupe épaisse. Ensuite on laisse égoutter. Cette pâte assez fine, s'étale facilement.
 
4) Des stages seront organisés dans le Lot et en Dordogne pour apprendre toutes les techniques (moules en RTV, estampage, fabrication de carcasses et modelage, émaillage et cuisson, roto moulage de cires et moules pour cires perdues, etc.) Il y des gîtes et campings dans la région. Consultez de temps en temps notre site pour les détails de l'organisation et manifestez déjà votre intérêt pour participer.
 
 
FOURNITURES :
 
Fibres PAN de 4 mm. Vous avez besoin de 2 g de fibres pour 1 kg d'argile sèche pour faire une pâte à modeler et une barbotine à couler. Vous avez besoin de 5 g de fibres par kg d'argile pour faire une barbotine pour la carapace dans le procédé " cire perdue "
 
Ces produits sont commercialisés par " L'Atelier de la Céramique ", Trémoulède 24620 Les Eyzies, et l'Atelier céramique - ZA - 46300 Le Vigan.
 
Contacts :
Site : http://atelceram.free.fr
E-mail : atceram@wanadoo.fr
  
  
DENOMINATION et PROPRIETE INDUSTRIELLE :
 
Je propose les noms suivant pour une argile modifiée contenant des fibres :
 
- Français : FIBRARGILE
- Allemand : FASERNTON
- Anglais ; FIBERCLAY
- Néerlandais : VEZELKLEI
 
Et des noms similaires dans les autres langues.
 
 
 
 
" Un brevet après publication n'est plus possible et j'offre gracieusement le procédé à tous les artistes et artisans de l'art plastiques ainsi aux PME de la céramique "
 
 
Piet Reijnen
Publication novembre 2008
 
Professeur de céramique industrielle à la retraite
Président de Association 1901 " L'Atelier de la Céramique , siège social à 24620 Les Eyzies, Atelier à 46300 Le Vigan.
Site : http:// atelceram.free.fr
E-mail : atceram@wanadoo.fr
 
 
 
 
 
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Summary, French version
 
On this page : Fiberclay by Piet Reijnen
 
 
FIBERCLAY

by Piet Reijnen
 
 
 
 
 
 
This technological article is proposed by Mr Piet Reijnen who is a retired professor of industrial ceramics and president of a Non-profit organization " L' Atelier de la Céramique ", the head office of which is in Trémoulède (24620 Eyzies - FRANCE).
 
Contact :
L'ATELIER DE LA CERAMIQUE
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Atelier de céramiques, réfractaires, fours : ZA, 46300, Le Vigan.
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Technical applications for a new type of clay reinforced with finely dispersed fibers
 
Materiel reinforcement by introducing fibers in the matrix is commonly practised. Concrete and plaster are reinforced by propylene fibers and polyacrylonitrile (PAN) fibers.
Polyester and epoxy resines are very effectively reinforced by glass fibers. Aramide fibers are used in rubber and tires.Vegetable fibres like hemp are used to reinforce plaster mouldings and plastics as well.
 
With a few exceptions, fibers are not used to reinforce ceramic green shards, which is understandable, while ceramic materials develop their final strength during firing. Nevertheless, a mixture of clay with chopped straw has been largely used for thousands of years in the construction of walls (adobe). In the lost wax method of metal casting, invented about six thousand years ago in Sumer, bees wax was covered by a clay shell in which horse dung was added to prevent cracking on drying. In my opinion, the absence of cracks in the clay can be explained by the presence of well dispersed vegetable fibers in the dung.
Another example of the use of fiber in clay is called paperclay. This is a mixture of clay and paper fiber which is used to make a modeling mass. It is rather strong upon drying and upon firing a porous ceramic body is obtained.
 
The addition of finely dispersed fibers in ceramic raw materials leads to considerable technological improvements in the ceramic process and it is really very amazing that so far the ceramic community has overlooked these interesting possibilities.
 
To close this gap an overview of my recent work in this field is presented here, and I hope that many artists and craftsmen and even industry will make a profitable use of my findings.
 
 
What type of fibers can be incorporated ?
 
They must be cheap, easy to disperse and the clay mass must have a long shelf life.
 
Here are a few suggestions :
 
1) Glass wool and rockwool are inexpensive, are readily dispersed in water and in clay. The problem with glasswool is the loss of strength because the fibers are leached out by water. It is better to use rockwool, which is more resistant to leaching and I started my first experiments with rockwool. With 4% rockwool, the results were already very encouraging. Later I found out that synthetic fibres like PP and PAN are much more efficient and although very expensive, they present an economical solution, because the quantity of fibres required is much lower. Sine then, I stopped working with rockwool.
 
2) Ceramic fibers (kaowool) are very resistant to leaching but they are much more expensive. I used them to make refractory materials. See http://atelceram.free.fr
 
3) Glassfibers as used in composite materials are interesting for white ceramic bodies like porcelain and faïence, because no extra iron is introduced.
 
4) Polypropylene fibres (PP) and PAN fibres as used in concrete are rather expensive but they are not altered with time in the presence of water and with PAN I had very good results with only 0,2 % of fibres in the clay. For most purposes these type of fibers will be the best solution.
 
5) Natural vegetable fibers like hemp look like a good solution, but I had difficulty in finding hempwool, easily to disperse and free of bits of wood. A few proofs with fibers obtained by cutting jute and also by selecting fibers in raw hemp showed me that they are suited.
 
The results described in this paper have been obtained with a clay containing 0,2% of PAN fibres for modeling clay and slip casting clay, while for investment casting (lost wax) I used 0,5 % of PAN Fibres.
 
 
EXPERIMENTS :
 
 
Various types of fibres were tested to prevent formation of cracks upon drying. Photo 1 shows how the experiments were organized. Pieces of wood were nailed on a shelf and fiber clay was modeled around the wood. At the end of the drying process, very often the clay was cracked. Only in the case of 1% of glass fibres and 0.2% of PAN fibres, it was possible to dry completely without cracks.
 

photo 1 : Tests of shrinkage during drying of clays, containing fibers of various types like rockwool, glassfibers and PAN fibers

Photo 1
Another test, very severe, consiste of putting the fiberclay around a ceramic bowl, upside down.
 
Photo 2 : In this test, only the sample with 0.2 % PAN fibres, dried up without cracking.
 
Does this mean that the fibres prevent shrinkage? Not so sure. When you let dry the fiberclay on a thin plastic sheet, we observe a linear shrinkage of 2 to 3 %. Clay without fibers shrink more (5 %) Certainly the dried fiber clay has a higher porosity.

Photo 2
 
Here is the explanation :
 
When the water in the clay evaporates, the clay particles will tend to approach each other by capillar forces. Without shrinkage, pores must be formed and they increase the surface energy of the system, so there is a tendency to shrinkage according thermodynamic principles. If the clay is fixed on a solid support, the shrinkage cannot take place, but instead there will be some plastic deformation. The plasticity of the clay diminishes gradually upon drying and at a certain moment the plastic deformation is no longer capable to compensate for the shrinkage and the clay will crack on the weakest place.
For this reason you cannot dry rapidly a lump of modelling clay, because the outer layer will shrink but the interior has still the original water content and cannot be compressed. If you dry very slowly, the water in the interior of the lump will diffuse to the surface and the whole lump will reduce its volume. Now this is very well known by all people who work with clay.
 

 

By introducing fibers in the modelling clay the situation is quite different. Consider again the layer of fiberclay around a pièce of wood. The force to create a crack is much higher in this case while the fibers must be pulled out of their matrix but in the direction perpendicular to the solid support the clay can shrink freely. Fig. 3 shows the clay around a piece of wood. It is easily seen that the wooden core will not prevent shrinkage perpendicalar to the core and that the clay will be under traction parallel to the wooden core. Only in that direction the fibers do their job and prevent cracking.
The shinkage takes place only in the easy direction, and no cracks ore formed in the difficult direction. This is the quintessence of the process and the consequences for ceramic practices are consirable.
 
photo 3 : Mechanism of drying of fiberclay on a piece of wood. Shrinkage takes place only in the "easy" direction, that is perpendicular to the wood. In the direction parallel to the wood, the tensile forces which tend to crack the clay are compensated by the fibers.

Photo 3
 
 
MODELLING A SCULPTURE WITH FIBERCLAY
 
I made a solid armature of wood, empty tins and strong iron wire. The wood was screwed underneath on the shelf, to be able to unscrew the shelf before firing. The whole was covered with a strong filet attached to the frame with several cords. In this way it is possible to cover the whole structure with papier mâché and there is no risk that the paper maché will fall down. The paper mâché has the consistency of peanutbutter and it is possible to approach already the final form. When the papier mâché was dried a little bit I put on a layer of fiberclay 2 to 3 cm thick. I prefer to use a fiberclay rather soft (rich in water) because it permits to cover the whole with clay without introducing interior flaws. Then I let the whole work dry for a day and then start modelling. When the rough work is done, the clay must dry much more in order that it becomes stronger, permitting to make the finer details. At the end you can polish the surface with a wet finger. All the items I fired came out succesfully from the kiln without cracks. See photos 5,6,7.
 
It is evident that you should know what you want to make when you prepare the inner core. For that reason I make first a maquette in clay or wax (scale 1/10) before making the core. Photo 4.
 

 

Photo 4 : before making a wooden skeleton, it is strongly advised to make rapidly a scale model, in order that the size and the orientation of the pieces of wood can be determined. It helps also to put the papier maché on the skeleton
Photo 5 : Head modelled with fibrargile on a can with some cardboard all around
Photo 6 : Fish modelled on wood
Photo 7 : Bird on a skeleton of wood and iron wires covered with paper
 
 
Photo 4

Photo 5
Photo 6

Photo 7
 
As there is no shrinkage when the clay is fixed on a solid support, I stamped the fiber clay in a rubber mold with undercuttings. The clay layer was 1 to 3 cm thick. After drying in the mold, the clay was not cracked and the demoulding was very easy. See photograph 8.
 
Very often the craftsman makes a model in clay and by the technique called "moulage à creux perdu", he can obtain one single copy in plaster, on which he still can make some improvements. This plaster piece is a good start to make a silicon mold. Now with fiberclay things are much easier. After complete drying the workpiece is sintered at a low temperature, to avoid shrinkage and warping, but the piece is strong enough to make the rubber mold directly on the original work.
 
Another practice is to model in full clay and to cut the workpiece in two with a cheese cutter (wire). The two parts are than emptied from the excess of clay and finally the two parts are "soldered" together. It is clear that with the technique described here this tedious operation can be avoided.
 
An amazing application is the use of fiberclay to make ornaments of plaster by dragging a rigid profile in the fiberclay. I found it much easier than dragging in plaster, as it is usually done. After drying of the fiberclay and a protection of the surface against wetting (soft wax, varnish, etc) a mould in plaster or silicon rubber (when there are undercuts) is made in order to produce plasterornaments on a large scale.
 
You can use the fiberclay as a roughcast on brick walls or straw walls. There is no cracking! The fiberclay does not resist to water, so for outside walls the roughcast must be protected against rain. You can improve the resistance to water by adding plaster, lime or cement, eventually also organic binders like acrylic varnish. In some cases that can be very advantagous, but one must realise that the hardening of the fiberclay becomes an irreversibel process.
Before realizing a larger project, one should verify the feasability of the raw materials used, to find the right proportions and to judge the final result regarding the physical properties of the dried layer.
 
I suppose that those who work regulary with clay in an artistic way recognize easily the tremendous avantages of fiberclay.
 
 
 
 
 
Photo 8 : Bas reliefs obtained by pushing fiberclay into a rubber mould.
After drying without shrinkage, the modelled sculpture can be freed from the mould
 
 
SLIP CASTING :
 
Slip casting of simple forms is not very difficult but you have to know to what degree the clay slip must be defloculated. Large flat items and complex shapes are much more difficult to mould because very often they are cracked before they can be released. These problems in slip casting can be solved by adding small quantities of well dispersed fibers, but they must be rather short in order that the moulds can be emptied, leaving a smooth surface behind. For this technique I use slips with 0,2 % PAN fibers, length 4 mm, and I can produce now rather complicated forms. To my knowledge this has not yet been applicated in ceramic industry.
 
 
INVESTMENT CASTING WITH THE LOST WAX METHOD :
 
The lost wax method was known in ancient times, well before the development of the egyptian culture, most probably in Sumer. The modeled bee wax items were covered with a clay layer. Horse dung was added to the clay to prevent cracking of the clay layer upon drying. This must be due to the presence of vegetable fibres..
To day the sophisticated lost wax method uses slips of refractory powders like zircon, alumina, spinel, mullite in water to which colloidal silica has been added. These baths are rather stable and can be used for months. The wax assemblies are immersed in these baths while they are turned in a controlled way. A thin layer of slip is deposited on the wax. Upon drying the colloidal silica is gelified and gives a layer without cracks. Then new layers are added in a similar way. If you don't know the details of the process it is easy to find video demonstrations on Internet.
The process is rathed complicated and demands huge investments, and for that reason, most small foundraries continue to work with plaster molds. By adding chamotte and eventually also clay to plaster you can heat it after binding to 700°C without cracking, but the strength is rather poor. You cannot immerse the wax object in the plaster slurry, because upon drying of the first layer, the remaining plaster in the recipient will be lost. Some foundries therefore pour the plaster in vacuum around the wax and this gives very thick moulds, costs a lot of plaster and energy. Other craftsman make small quantities of plaster-water mixtures and project with their hands the first layer. You must be very handy to do this without creating air bubbles between the wax and the plaster.
The use of fiberclay is very promising to make ceramic molds.
The wax object is immersed in a rather thick slip, turned around and shaked. Eventually, with a fine stream of compressed air, the clay layer is massaged and freed from air bubbles. A continuous layer of slip, at least 0,5 to 1 mm thick should be deposited on the wax, if this is not the case the slip is not thick enough. Let the first layer dry a little bit but not completely. Then the next layer is applied and dried. At the end use a thicker slib in order to make the mould more rapidly. The final thickness of the mould should be between 5 to 10 mm. After complete drying there are no cracks. The wax is molten out and the mold is fired at 700 °C. So far I tested these molds by pouring polyester resine and/or plaster to verify the quality of the inner surface of the mold. I am actually not equiped to pour molten metal in the moulds but this will be done quite soon. I give already these results and invite those who are interested in this potential use of fiberclay to do their own experiments.
 
 
 
 
Photo 9 : Fabrication of a ceramic mould for metal casting.
The wax model is immersed in a slip with 0,5 % of PAN fibers.
The wax remains perfectly covered by the slip due to the presence of fibers
 
 
A FEW RECEIPES AND SUGGESTIONS
 
1) Disperse the PAN fibres (I used the 4 mm long) in water and stirr with a fast turning hand mixer. If the fibers are much longer they cluster around the axis of the mixer, the size of 4 mm seems to me a good compromise between strenght and easiness. The original fibres are hold together with a glue which is soluble in water. Add the suspension of fibres to a thick slip and stir again with a fast turning mixer. To make a modelling mass, let the thick slip dry on plaster.
 
2) Before making the core of a sculpture, make a rapid study of your project, by modeling in clay or in wax the sculpture you want to make in reduced size. Solid pieces of wood are then screwed on a shelf (the screws are underneath), add empty cans with strong tape attached to the wood. Fill up with paper etc, and cover the hole thing with a strong filet of cotton or other material which will burn upon firing. Fix it strongly with cords. Now add the papier maché and go almost to the final shape. Let it dry for a few days, the papier maché becomes much stronger. Now you add the fiberclay in a layer of 2 to 3 cm, let it dry a little bit and now you start to make the final shape with the desired surface structure. After a week or so your statue is dry and you can put it in kiln. Go very slowly to 150 °C to get rid of all the water. At higher temperatures the paper and the wood will burn, and you can get rid of the empty cans after firing. You can as well put a glaze on before firing. Don't forget to unscrew the shelf before firing.
 
3) Prepare your papier maché in the following way. Put the unfolded and torn journals in water and let them soak for a day. Don't use thick paper with a shiny surface. Old telephone books and newspapers are excellent. Use hot water to accelerate the process. With a fast turning soupe mixer you make a slurry. Quite a bit of water is required. Let it drip for a few days, the paper maché is ready. You can of course add a glue, but for this application it is not useful. The paper mâché I make is like peanutbutter.
 
4) If you are interested to realize an art piece in this way I will give you free advice and I can send to you, modeling wax, PAN fibres, fibre clay, everything you need. Please join the fiberclay community in making photographs of all the steps you went through, put them on your blog or Internetsite and give us the adress, which will be published on our web site. Add your comments and why not your photograph and home adress. Vulgar or racial sculptures will not be published. You can also send us that information by E mail and we will publish it. During the summer 2009 we will make workshops in Dordogne and Lot for people who want to learn to work with fiberclay. There are plenty of campings and guestrooms in our region.
 
 
MATERIALS :
 
PAN fibres 4 mm. You need 2 g of fibers for 1 kg of dry clay to make a Plasticine and a slip for casting.You need 5 g of fibers by kg of clay to make a slip for the shell in the process " lost wax "
 
These products are marketed by " L'Atelier de la Céramique ", Trémoulède 24620 Les Eyzies, et l'Atelier céramique - ZA - 46300 Le Vigan.
 
Contacts :
Site : http://atelceram.free.fr
E-mail : atceram@wanadoo.fr
  
  
NAMES AND INDUSTRIAL PROPERTY :
 
The publication of this article will prevent that someone can patent the use of fibers in clay, so the results published here will remain free for everybody. I suggest the following names :
 
French: FIBRARGILE
English: FIBERCLAY
German: FASERNTON
Dutch: VEZELKLEI
 
 
 
 
Piet Reijnen
Publication in November, 2008
 
Professeur de céramique industrielle à la retraite
Président de Association 1901 " L'Atelier de la Céramique , siège social à 24620 Les Eyzies, Atelier à 46300 Le Vigan.
Site : http:// atelceram.free.fr
E-mail : atceram@wanadoo.fr
 
 
 
 
 
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