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Sur cette page :

Émaillage et Tension Superficielle

 

ÉMAILLAGE et TENSION SUPERFICIELLE surface tension, tension superficielle

 

 

 

Théorème de Gibbs :

 

Selon les principes de la thermodynamique, les éléments qui composent la couche superficielle d'une solution et celles de sa masse sont différents.

 

 

Tension superficielle :

 

c'est une force résultant de la cohésion, qui abaisse au minimum le nombre de molécules à la surface d'un liquide. Cela créé une sorte d'enveloppe invisible qui occupe la plus petite surface possible. La tension superficielle représente la force de la pellicule de surface du liquide.

 

Lorsqu'on applique ce principe à une suspension de minéraux (barbotine d'émail ou de coulage), on peut observer que la tension superficielle de l'eau créée en surface une couche qui contient les plus fines particules de la suspension. Cette couche est très mince et se crée spontanément.

 

 

 

 

Application à une goutte de suspension isolée :

 

Une goutte est un volume de liquide isolé dont la cohésion est assurée par les forces de tension superficielle. En l'absence de sollicitation extérieure, les gouttes ont une forme sphérique.

 

   

 

 

Ainsi si on applique ce raisonnement à une goutte de cette suspension, les particules les plus fines viennent tapisser la surface de celle-ci et laissent au cœur une masse de suspension plus riche en grosses particules.

 

Influence de la taille des gouttes :

 

Surface d'une sphère : 4 p R²

Volume d'une sphère : 4/3 p R³

Rapport surface / volume : 4 p R² / 4/3 p R³ = 3 / R

Le rapport de la surface par rapport au volume est 3 fois l'inverse du rayon de la sphère, ce qui signifie que le volume d'une goutte (sphère) se réduit plus vite que sa surface lorsque son rayon diminue.

 

Ex : des gouttes de 1 mm de rayon auront un rapport de surface/volume de 3 cm² par ml de suspension tandis que des gouttes de 0.5 mm de rayon auront un rapport surface/volume de 6 cm² par ml de suspension.

 

Donc pour des goutte de plus en plus petites formées à partir d'une suspension de minéraux, celles-ci présenteront un différentiel de composition de plus en plus important entre les minéraux de surface et ceux de leur masse (cœur des gouttes). La force de tension superficielle s'exerçant sur la surface appauvrira de plus en plus la masse en minéraux les plus fins, puisque le volume des gouttes décroît plus rapidement que leur surface.

 

Émaillage :

 

Émaillage par pulvérisation :

 

Le principe consiste à disperser une suspension d'émail en gouttes dans l'air afin de diriger celles-ci vers la surface de l'objet à émailler. La forte dispersion de la suspension aidant à mieux maîtriser le contrôle de l'application.

 

 

 

 

Les gouttes s'empilent sur la surface et forment une couche.

- Si le tesson est très poreux, les gouttes vont se solidifier au fur et à mesure qu'elles se déposent et former un amas poudreux.

- Si le tesson est moins poreux ou si le débit de pulvérisation est trop important les gouttes vont avoir le temps de former une couche " mouillée " laissant le temps nécessaire à la réorganisation partielle des particules sous l'effet des forces de tension superficielle.

 

 

 

 

Émaillage au trempé :

 

On immerge le tesson poreux à émailler dans un bain d'émail en suspension dans de l'eau. Les forces de capillarité du tesson permettent à l'eau de pénétrer dans celui-ci, attirant et plaquant ainsi les minéraux de la solution sur la surface poreuse.

 

 

 

 

Le cas du trempage diffère beaucoup de la pulvérisation. La couche déposée par capillarité sur le tesson est en partie constituée des particules les plus fines attirées en surface du bain par les force de tension superficielle de la suspension. Ces particules les plus fines et très mobiles enveloppent l'objet trempé au fur et à mesure de sa pénétration dans le bain d'émail. Elles forment, tout comme une barbotine sur le plâtre d'un moule, une " peau de coulage super fine ". Mais dans le cas du trempé cette " peau de coulage super fine" s'intercale entre le tesson et la couche supérieure de l'émail constituée des particules de la masse, plus grosses en taille et plus denses.

 

 

 

 

Influence de la méthode d'émaillage sur le comportement de la glaçure :

 

Les deux méthodes citées dans cette page conduisent à des résultats différents lors de la cuisson de la glaçure.

 

Les forces de tension superficielle jouent un rôle prépondérant dans les résultats en permettant une disposition et une sélection différente des particules déposées sur le tesson. L'aspect de la couche cuite et la dynamique de sa fusion pendant la cuisson seront différents selon la méthode employée.

 

Ainsi pour une même composition de glaçure (minéraux identiques en mêmes proportions) subissant un cycle de cuisson identique on pourra observer :

 

1) Cas de la pulvérisation :

 

a) couche poudrée :

La couche poudrée est constituée de " granulés " d'émail de tailles différentes, chacun revêtu d'une pellicule de particules fines. Les particules fines fondent en premier et attaquent rapidement la masse des gouttes les moins volumineuses. Ainsi les petites gouttes fondent avant les plus grosses et amorcent la fusion hétérogène de la couche émaillée, formant des points fusibles répartis dans toute la masse du produit. Ces point fusibles accélèrent la fusion des gouttes légèrement plus grosses immédiatement situées dans leur zone et ainsi de suite… Il s'en suit un phénomène de réticulation de la couche conduisant à des amas en grosses gouttes fondues visqueuses. Cette couche discontinue est perméable et peu laisser s'échapper facilement les gaz contenus dans le tesson. Puis la température continuant de monter, les forces de tension superficielle de la glaçure fondue se relâchent petit à petit, permettant aux amas de se joindre et de former une couche continue. Cette dernière phase permet en général d'obtenir le nappage de la glaçure en effectuant un palier de cuisson à la température la plus élevée pendant un certain temps.

 

 

 

 

 

 

b) Couche pulvérisée mouillée :

 

La couche mouillée est un enchevêtrement de gouttes dont la continuité produite dans la partie supérieure lors du mouillage a permis aux particules les plus fines de former un film sous l'action des forces de tension superficielle. Ainsi une partie des particules fines ont eu le temps de s'organiser en surface de la couche et former une " peau " lisse et compacte.

Lors de la cuisson, cette couche superficielle compacte va entrer en fusion avant l'ensemble de la couche et subir de fortes contractions sous l'effet du retrait et de la tension superficielle élevée de la glaçure en formation. Les sous-couches étant à un stade de ramollissement moins avancé, la cohésion de l'ensemble peu homogène permettra des ruptures de la couche en fusion conduisant à des fissures et à des rétractions. Ces discontinuités de la couche de glaçure permettront au gaz de s'échapper. Puis la température continuant de monter, l'ensemble finira par former une couche continue et se napper.

 

 

 

 

2) Cas du trempage :

 

La couche de particules les plus fines en contact direct avec le tesson va fondre en premier. La forte cohésion du tesson va empêcher la rétraction de la couche ramollie et celle-ci va former une enveloppe relativement continue et étanche. Les gaz qui voudront s'échapper du tesson auront du mal à trouver un passage au travers de la couche de glaçure et vont s'accumuler. Si la couche de glaçure est mince, des discontinuités (petits trous) laisseront s'échapper plus facilement les gaz. Si elle est épaisse, les discontinuités seront rares et la pression des gaz pourra monter jusqu'à atteindre et dépasser la limite supportable par la couche de glaçure fortement ramollie par la température. De grosses bulles exploseront en surface, produisant des cratères de quelques millimètres…

 

 

 

 

Pour cette raison, les pièces produites par trempage devront faire l'objet d'un contrôle rigoureux de l'épaisseur de glaçure déposée, surtout si le tesson produit des gaz pendant la cuisson. Une attention toute particulière devra être portée à la granulométrie et au broyage de la glaçure.

 

 

 

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Summary, What must be known , French version

 

On this page :

Surface tension and glazing

 

SURFACE TENSION and GLAZING

 

 

 

Gibbs' Theorem :

 

According to the principles of thermodynamics, the elements which make up the surface layer of a solution and those of its mass are different.

 

Surface Tension :

 

It is a force resulting from cohesiveness, which lowers to a minimum the number of molecules on the surface of a liquid. This creates a kind of invisible enveloppe which occupies the smallest possible surface. The surface tension represents the force of the film on the liquid surface.

When one applies this principle to a minerals suspension, one can observe that the surface tension of water creates on the surface a layer which contains the finest particles of the suspension. This layer is very thin and created spontaneously.

 

 

 

 

Application to an isolated drop of the suspension :

 

A drop is a volume of insulated liquid whose cohesion is ensured by the forces of surface tension. In the absence of external influence, the drops have a spherical form.

 

 

  

 

 

Thus if one applies this reasoning to a drop of this suspension, the finest particles come to cover the surface of this one and leave in the centre a mass of a suspension richer in large particles.

 

Influence of drops size :

 

Surface of a sphere : 4 p R²

Volume of a sphere : 4/3 p R³

Ratio surface / volume : 4 p R² / 4/3 p R³ = 3 / R

 

The ratio of the surface compared to the volume is 3 times the inverse of the radius of the sphere, which means that the volume of a drop (sphere) is reduced more quickly than its surface when its radius decreases.

Ex: drops of 1 mm of radius will have a ratio surface/volume of 3 cm² per ml of suspension while drops of 0.5 mm of radius will have a ratio surface/volume of 6 cm² per ml of suspension.

Thus, for increasingly small drops formed from a suspension of minerals, these will present an increasingly significant differential of composition between the minerals of the surface and those of their mass (heart of the drops). The force of the surface tension exerting on the surface will impoverish more and more the mass of its finest minerals, since the volume of the drops decrease more quickly than their surface.

 

Glazing

 

Glazing by spraying :

 

The principle is to disperse a suspension of drops in the air in order to direct those towards the surface of the ware to be glazed. The strong dispersion of the suspension helping with better controlling the application.

 

 

 

 

The drops pile up on the surface and form a layer.

- If the shard is very porous, the drops will be solidified progressively as they settle and will form a powdery heap.

- If the shard is less porous or if the flow of pulverization is too important the drops will have time to form a "wet" layer leaving time necessary to the partial reorganization of particles under the effect of surface tension forces.

 

 

 

 

Glazing by dipping :

 

One dips the porous shard to be glazed in a bath of glaze in suspension in water. The capillarity forces of the shard make it possible for the water to penetrate into this one, attracting and thus plating minerals of the solution on the porous surface.

 

 

 

 

The case of dipping differs much from spraying. The layer deposited by capillarity on the shard is partly made up of the finest particles attracted onto the surface of the bath by the force of surface tension of the suspension. These finest and very mobile particles wrap the dipped ware as it progressively penetrates the glaze bath.

 

They form, just like a clay slip on the plaster of a mould, a " super fine casting skin ". But in the case of dipping this " super fine casting skin " is inserted between the shard and the external glaze coat made up of the particles of the mass, larger in size and denser.

 

 

 

 

Influence of the glazing method on the behavior of the glaze:

 

The two methods quoted on this page lead to different results during firing of the glaze. The forces of surface tension play a dominating role in the results by allowing a layout and a different selection of the particles deposited on the shard. The aspect of the fired layer and the dynamics of its fusion during firing will be different according to the method used.

Thus for the same composition of a glaze (identical minerals in same the proportions) fired in an identical cycle of firing one will be able to observe:

 

1) Spraying :

 

a) powdered layer :

 

The powdered layer is made up of glaze granules of different sizes, each one covered by a thin layer of fine particles. The fine particles melt in the first place and quickly attack the mass of less bulky drops. Thus small drops melt before the largest and start the heterogeneous fusion of the glaze, forming fusible points distributed in all the mass of the product.

These fusible points accelerate the fusion of slightly larger drops located near their vicinity and so on. It follows a phenomenon of reticulation of the layer leading to clusters in large viscous molten drops. This discontinuous layer is permeable and allows gases located in the shard to escape easily.

With temperature rising, the forces of surface tension are slowly slackened, making it possible to clusters to join and form a continuous layer. This last phase in general makes it possible to obtain glaze healing over by carrying out a stage of firing at the highest temperature during a certain time.

 

 

 

 

 

 

b) Wet layer of sprayed glaze :

 

The wet layer is a tangle of drops whose continuity produced in the upper part at the time of wetting made it possible that the finest particles form a layer under the action of the forces of surface tension. Thus part of the fine particles had the time to organize on the surface of the layer and form a smooth and compact "skin".

During firing, this compact surface layer will begin to melt before the whole of the layer and will undergo strong contractions under the effect of shrinking and the high surface tension of the glaze in formation. The under-layers being at a stage of less advanced softening, the cohesion of this not very homogeneous mixture will allow ruptures of the layer in fusion leading to cracks and retractions.

These discontinuities of the layer of the glaze will allow gases to escape. Then the temperature continuing to rise, the whole will end up forming a continuous layer and heal over.

 

 

 

 

2) Dipping :

 

The layer of the finest particles in direct contact with the shard will melt in first place. The strong cohesion of the shard will prevent the retraction of the softened layer and this one will form a relatively continuous and tight envelope. The gases which will want to escape the shard will have trouble to find a way through the layer of the glaze and will accumulate.

If the layer of the glaze is thin, discontinuities (small holes) will let gases leave more erasily.

If it is thick, discontinuities will be rare and the pressure of the gases will rise up to reach and exceed the bearable limit of the layer of the glaze strongly softened by temperature. Large bubbles will explode on the surface, producing craters of a few millimetres.

 

 

 

 

 

For this reason, the pieces produced by dipping will have to be subjected to a rigorous control of the thicknes of the glaze, especially if the shard produces gases during firing. A very detailed attention will have to be paid to the granulometry and the grinding of the glaze.

 

 

 

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