پیدایش خاک در سطح زمین

در حدود دو بلیون سال پیش قسمت سطحی توده گداخته زمین سرد شد و بصورت سنگ درآمد و بخار آب اطراف آن نیز به باران تبدیل شد. این باران میلیون‌ها سال ادامه یافت و اقیانوسهای عظیمی را بوجود آورد.

در این مدت طولانی آب طی جریان خود باعث فرسایش سنگها شده و آنها را بصورت ذرات ریزی به این طرف و آن طرف حمل می‌کرد. گیاهان و درختان نیز در این تغییرات شرکت جستند و باد ذراتی را که آب بوجود آورده بود با خود حمل می‌کرد و به ریز کرد آنها کمک می‌نمود. این ذرات ریزدر زمین هر روز بیشتر و بیشتر می‌شد و بروی هم انباشته می‌گردید و تحت فشار و حرارت بار دیگر بصورت سنگ در می‌آمد.

همیشه قسمتی از این مواد ریز که خاک نام دارد در دلتای رودخانه‌ها انباشته شده و مورد استفاده سفال‌سازان قرار می‌گیرد.

درصد ترکیبات شیمیایی خاکهای مختلف

گلهای سرامیکی خالص آلومین بیشتر و آهن کمتری دارند. در  واقع گل سرامیک همان موادی را دارد که قشر جامد زمین دارد ولی با این تفاوت که ذرات آن بسیار ریز شده است. خود گلهای سرامیکی نیز از نظر ترکیبات شیمیایی با هم فرق دارند. چون گل از آلومین، سیلیس و آب ترکیب شده می‌توان گفت که وجود مواد دیگر دلیل بر ناخالصی آن است.

گلهای سرامیکی برحسب محلی که بدست می‌آید متفاوت است. در بعضی جاها به همراه گل آهن وجود دارد. رودخانه‌ها این گلها را با خود حمل می‌کنند و دانه‌های آن را ریزتر می‌نمایند و مواد مختلف دیگری نیز به آن می‌افزایند و ترکیبات شیمیایی آن را پیچیده‌تر می‌کنند.

فرمول شیمیایی گل سرامیک خالص

فرمول گل سرامیک خالص می‌باشد و نسبت مولکولی در آن مثل یک است به دو. باید خاطر نشان ساخت که در این فرمول از وجود مواد دیگر که جزئی هستند صرف نظر شده است.

شباهت گلهای سرامیکی با فلدسپات

از مقایسه فرمول فلدسپات که شصت درصد قشر زمین را تشکیل می‌دهد با کائولن که خالص‌ترین نوع گل سرامیک است می‌توان نتیجه گرفت که فرمول هر دو یکی است و فقط وجود چند اکسید در فلدسپات آنها را متمایز می‌سازد.

• فلدسپات پتاسیک (ارتوکلز)
• فلدسپات سودیک (آلیت)
• فلدسپات کلسیک (آنورتیت)

فرمول کائولن

فلدسپات‌ها برحسب اکسیدهائی که در آنها وجود دارد نامگذاری می‌شوند. وقتی فلدسپات تحت تأثیر عواملی نظیر هوا قرار می‌گیرد تخریب شده و سود، پتاس و آهک خود را بصورت محلول در آب رها می‌کند و آلومین و سیلیس آن باقی می‌ماند. بخشی از این سیلیس نیز تحت تأثیر عوامل شیمیایی تجزیه می‌شود و بقیه آلومین و سیلیس در اثر مجاورت طولانی با رطوبت ئیدرولیز شده و دارای ترکیبات شیمیایی آب می‌شود. عمل آب‌گیری طی میلیونها سال انجام می‌شود و امکان تجدید آن در آزمایشگاه کاری غیرممکن است. این ماده همان کائولن است که خاک چینی نام دارد.

خصلت فیزیکی گل سرامیک

خصلت فیزیکی گل سرامیک بخوبی خصلت شیمیایی آن مشخص نیست زیرا تعیین عوامل چسبندگی و شکل و اندازه ذرات آن فقط با مطالعات میکروسکوپی معلوم می‌شود.

قبلاً تصور می‌کردند که چسبندگی گل سرامیکی یک خاصیت فیزیکی تصادفی است ولی در اثر مطالعه معلوم شد که وجود ذرات فوق‌العاده ریز در گل سرامیک خاصیت فیزیکی آن را تشکیل می‌دهد. بسیاری از گل‌ها دارای ذرات ریزی هستند که قطر آنها کمتر از یک میکرن است. این ذرات مسطح بوده و شکل آنها بیضی است. در هر میلیمتر مکعب کائولن سه میلیون و نیم ذره مسطح وجود دارد ولی بال کلی که نرم‌تر از کائولن است مقدار خیلی بیشتری ذره دارد.

کوچکی ذرات گل سرامیک را بایستی نتیجه ئیدرولیز شدن و همچنین تغییرات شیمیایی و حمل و نقل آن توسط آب دانست. در هر گل علاوه بر ذرات بسیار ریز ذرات درشت‌تر نیز یافت می‌شود و این ممکن است بعلل وجود بقایای تغییر نکرده فلدسپات یا کوارتز و یا سایر مواد معدنی باشد. معمولاً برای جدا کردن آنها از گل از شستشو استفاده می‌کنند. در گل علاوه بر ذرات درشت ممکن است مواد آلی نیز یافت شود. گرچه این مواد می‌سوزند ولی وجود آنها در خاصیت فیزیکی گل بی‌تأثیر نیست.

چسبندگی گل

وقتی خاک سرامیک با مقداری آب مخلوط شود خاصیت چسبندگی پیدا می‌کند. این خاصیت باعث می‌گردد از آن برای ساختن شکلهای مختلف استفاده شود. این چسبندگی بقدری است که هیچ ماده دیگری نمی‌تواند جای آن را بگیرد.

دانشمندان در مورد چسبندگی گل مطالعات زیادی کرده‌اند ولی کاملاً به مکانیزم صحیح آن پی نبرده‌اند. چسبندگی گل تا اندازه زیادی به کوچکی ذرات گل بستگی دارد.

جذب شیمیایی بین ذرات گل نیز می‌تواند عامل چسبندگی بحساب آید زیرا وقتی الکترولیت به گل اضافه می‌کنیم این خاصیت را از دست می‌دهد.

وجود کربناتها نیز این حالت را تشدید می‌کند. مواد آلی نظیر صمغ عربی نیز باعث ازدیاد چسبندگی گل می‌شود. وجود مقدار کم مواد آلی مفید ولی زیاد آن ترک خوردگی بوجود می‌آورد.

گل‌های سرامیک از نظر میزان چسبندگی با هم فرق دارند. بعضی از آنها که چسبندگی کمتری دارند، در ساختن آجر بکار می‌روند. گلهائی که چسبندگی زیاد دارند برای کار مشکل‌اند و سفال‌سازان برای اصلاح آن گلی را که چسبندگی کمتری دارد با آن مخلوط می‌کنند.

انواع گل

بطور کلی خاکهای سرامیکی به دو گروه تقسیم می‌شوند.

خاکهای نوع اول خاکهایی هستند که در کنار صخره‌های مادر که فلدسپات باشند بوجود بیایند و هنوز به وسیله باد یا آب به سایر نقاط برده نشده باشند.

سنگهای فلدسپاتی تحت تأثیر آب‌های زمین که به داخل آن نفوذ می‌کند مواد محلول خود را از دست می‌دهند و متلاشی می‌شوند. و گاهی نیز بخار یا گازهای موجود در زمین این کار را انجام می‌دهند و در نتیجه خاکی بوجود می‌آورند که کائولن نام دارد.

خاکهای نوع اول سرامیک خالص‌اند و چیزی با آنها مخلوط نشده است. رنگ این نوع خاکها نیز سفید است.

خاکهای نوع دوم خاکهایی هستند که از زادگاه اصلی خود توسط باد و باران به سایر نقاط برده شده باشند. مقدار خاکهای نوع دوم در طبیعت خیلی بیشتر از خاکهای نوع اول است.

انتقال خاک توسط آب تاثیر زیادی بر روی آن دارد. زیرا در حین جریان داشتن در داخل رودخانه‌ها ذرات آن ریزتر می‌شوند. وقتی که از سرعت آب رودخانه کاسته می‌شود مواد سنگین آن رسوب می‌کنند و در جائی که کاملاً ساکن می‌گردد ذرات بسیار ریز ته‌نشین می‌شود. این نوع خاکها در حین عبور از مکانهای مختلف نسبت به کائولن ناخالص می‌شوند و ترکیبات پیچیده‌تری بخود می‌گیرند. در این نوع گلها موادی نظیر کوارتز، میکا، آهن و مواد دیگری نظیر کربن یافت می‌شود.

خاکهای نوع دوم از نظر ترکیب با هم تفاوت دارند. در بعضی از انواع آنها که کائولن دست دوم است آهن وجود ندارد ولی این کائولن بسیار کمیاب است. بال کلی که یکی از انواع این گلهاست و بعنوان چسب مصرف می‌شود و دارای مقداری آهن است.

پس بطور کلی می‌توان گفت گل سرامیک گلی است که از سیلیس و آلومین و آب ترکیب شده باشد و وقتی حرارت ببیند سخت و محکم گردد.

خشک شدن گل

گل سرامیک به هنگام خشک شدن تقریباً پنج درصد جمع می‌شود و این مقدار در گلهای چسبناک به هشت درصد می‌رسد. جمع شدن گل در اثر خشک شدن بتدریج صورت می گیرد. خشک شدن گل بستگی زیاد به مقدار رطوبت هوا دارد.

اگر مقدار رطوبت هوای مجاور صد در صد باشد گل خشک نمی‌شود. ولی اگر مقدار آن کاهش یابد گل شروع به خشک شدن می‌کند، وقتی قسمت سطحی گل خشک شد آب‌های قسمت زیرین توسط لوله‌های موئین به سطح می‌آید و در هوا پخش می‌شود. عمل خشک شدن گل بایستی بتدریج صورت گیرد و گرنه ترک خوردگی در گل بوجود می‌آید. وقتی گل آب خود را از دست می‌دهد فاصله ذرات آن نسبت به هم کم شده و نتیجه عمل نقصان حجم گل است.

هر قدر میزان چسبندگی گل بیشتر باشد میزان انقباض آن نیز بیشتر می‌شود. گل هر قدر هم خشک شده باشد باز مقداری آب دارد که این مقدار فقط در کوره تحت تاثیر حرارت صد درجه خارج میشود.

گلها وقتی خشک می‌شوند مقاومت‌های مختلفی دارند مثلاً بالکلی هفت برابر محکم‌تر از کائولن گرجی است، یعنی هر قدر چسبندگی گل بیشتر باشد میزان مقاومت خشک آن بیشتر است.

تغییرات گل در مراحل مختلف حرارت

گلهای خام و پخته از نظر شیمیایی و فیزیکی تفاوت زیادی با هم دارند.

گل پخته سخت و محکم است و اگر هزار سال هم در زیر خاک بماند تغییری در آن بوجود نمی‌آید. پختن گل و پی بردن بخواص آن از کشفیات شگفت‌انگیز تمدن بشر بشمار می‌رود، زیرا در انبار کردن دانه‌های نباتی مورد استفاده قرار گرفت و اهمیت آن بقدری است که مورخین پیشرفت هر تمدنی را با پیشرفت سفالهای آن زمان می‌سنجند.

وقتی ظرفها را در کوره قرار می‌دهیم بایستی حرارت آن را بتدریج بالا ببریم و در غیر این صورت بیشتر آنها می‌شکنند. در کوره‌های بزرگ برای خارج شدن بخار آب در بالای آن سوراخی بوجود می‌آورند.

در مرحله اول حرارت که صد درجه است آب‌های غیر ترکیبی گل خارج می‌شود، یعنی خشک شدن کامل انجام می‌گیرد و در مرحله دوم حرارت که سیصد و پنجاه درجه است آبهای ترکیبی خارج می‌شود. مقدار آبی که در این مرحله خارج می‌شود چهارده درصد است و برای جلوگیری از شکستن بایستی مدتی کوره را در حرارت ۳۵۰ درجه ثابت نگاه داریم. در حرارت ۵۰۰ درجه این آب‌ها بکلی خارج می‌شوند و چیزی از آنها باقی نمی‌ماند. در این مرحله خاصیت چسبندگی گل از بین می‌رود به عبارت دیگر نمی‌توان آنها را خرد کرده و باز هم به گل تبدیل نمود زیرا تغییر ماهیت داده است.

در این مرحله عمل انقباض صورت نگرفته و ظرفها فقط نسبت به اول ترد و شکننده‌تر شده‌اند.

در مرحله سوم حرارت که در حدود ۵۷۳ درجه می‌باشد بلورهای کوارتز نظم اولیه خود را از دست می‌دهند و تغییر حجم پیدا می‌کنند. این تغییرات حجم کوارتز را تغییرات آلفا به تای کوارتز می‌نامند و مقدار آن ۲٪+ است در این مرحله بایستی محتاطانه رفتار کرد و حرارت کوره را بتدریج بالا برده بیشتر ظرفهائی که بصورت ترک خورده از کوره بیرون می‌آیند ناشی از تغییرات سریع درجه حرارت در این مرحله است. در موقع سرد شدن نیز اگر حرارت بسرعت پایین بیاید در ظرفها ترک خوردگی بوجود می‌آید.

در مرحله چهارم که حرارت به ۹۰۰ درجه می‌رسد مواد آلی نظیر کربن می‌سوزد و به اکسید تبدیل می‌شود و به همین علت این مرحله را مرحله اکسیداسیون می‌نامند. در این مرحله بایستی اکسیژن بصورت هوا در داخل کوزه زیاد باشد در غیر این صورت مقداری از کربن در داخل ظرف باقی مانده و به اکسید تبدیل نمی‌شود و بدین  جهت ظرف سیاه می‌گردد و سفال‌سازان آن را اصطلاحاً دودزده می‌گویند. در این مرحله نبایستی حرارت را یک باره بالا برد.
گلهائی که درصد کربن و سولفور آنها کم است نقص در عمل اکسیداسیون اشکالی بوجود نمی‌آورد.

در مرحله پنجم مواد زودگداز ذوب شده و ذرات گل را مانند چسب به هم می‌چسباند. هر قدر حرارت کوره بیشتر بالا رود بر مقدار این مواد مذاب افزوده می‌شود. اگر باز هم حرارت را بالا ببریم تمام گل به ماده مذاب تبدیل می‌گردد.

درجه حرارت پختن گل به نوع آن بستگی دارد مثلاً گل معمولی سرامیک در حرارت ۱۰۰۰ درجه پخته و در ۱۲۵۰ درجه ذوب می‌شود. کائولن در ۱۲۵۰ درجه کاملاً متخلخل است و در ۱۸۰۰ درجه ذوب می‌شود. در مرحله ذوب شدن مقداری از مواد گل، انقباض بوقوع می‌پیوندد و در موقع ذوب شدن تمام مواد گل، ازدیاد حجم به وجود می‌آید.

انواع گل

کائولن

شرایط مختلف زمین‌شناسی باعث ایجاد گلهائی با خواص فیزیکی و شیمیایی مختلفی شده است. سفال سازمان فقط آنهائی را مورد استفاده قرار می‌دهند که برای کار آنها مناسب باشد.

یکی از انواع مهم گل سرامیک که مورد استفاده زیادی دارد کائولن است. این گل تا اوایل قرن ۱۸ در اروپا مورد توجه نبود و بعداً در سرامیک‌سازی طرف توجه قرار گرفت.

ولی در چین ظروف چینی سفید در اوایل ۲۰۰ پیش از میلاد و یا جلوتر از آن ساخته می‌شد. ایجاد کوره‌هائی که درجه حرارت آنها ۱۲۰۰ درجه باشد به همراه ساختن ظروف چینی ظریف و شفاف در چین در حدود ۶۰۰ سال بعد از میلاد اتفاق افتاد. از این نظر چینی‌ها هزار سال جلوتر از اروپائیها بوده‌اند. کائولن در چین بیشتر از هر جای دیگری یافت می‌شود. چسبندگی کائولن چینی نیز نسبتاً زیاد است و برای کار بسیار مناسب می‌باشد. سرامیک سازمان چینی در ابتدا ظروف سفید ولی کم دوامی از کائولن می‌ساختند ولی پس از چندین صد سال تجربه توانستند کوره‌هائی با درجه حرارت بالا بوجود بیاورند و یا چیزهائی به کائولن اضافه کنند تا بتوانند چینی واقعی را که سخت و نسبتاً شفاف است بسازند.

کائولن از گلهای نوع اول است و خود از تجزیه فلدسپات در مجاورت رطوبت هوا و آب بوجود می‌آید، ذرات آن نسبتاً درشت و در مقایسه با گلهای نوع دوم چسبندگی آن بسیار کم است. کائولن گلی نسبتاً خالص است و موادی نظیر آهن در آن یافت نمی‌شود.

کائولن در ۱۸۰۰ درجه ذوب می‌شود و چسبندگی آن نیز کم است. برای اصلاح آن مواد دیگری به آن اضافه می‌کنند.

بال کلی

بال کلی برخلاف کائولن دارای دانه‌های بسیار ریز و آهن زیاد بوده خاصیت چسبندگی آن نیز خیلی بیشتر است. نقطه ذوب بال کلی پایین‌تر از نقطه ذوب کائولن است. بال کلی و کائولن هر دو مکمل هم هستند و به همین جهت آنها را با هم مخلوط می‌کنند. بال کلی از گلهای نوع دوم است و در ۱۳۰۰ درجه متراکم و محکم می‌شود. درصد انقباض بال کلی ۲۰٪ است و آن را برای اصلاح گلهائی که چسبندگی کمتری دارند مصرف می‌کنند ولی مقدار آن نبایستی بیشتر از ۱۵٪ باشد.

رنگ بال کلی خاکستری است زیرا کربن آن زیاد است ولی این کربن در موقع پختن می‌سوزد و تأثیری روی رنگ پخته آن ندارد. بعضی از انواع بال کلی فاقد کربن است و به همین جهت رنگ آنها سفید می‌باشد.

گل نسوز

این گل در مقابل حرارت دوام زیادی دارد و بعضی از انواع آن چسبناک و بعضی دیگر فاقد چسبندگی است. رنگ این گل پس از پختن قهوه‌ای تیره می‌شود. از این گل برای ساختن آجرنسوز و کوره‌های ذوب فولاد استفاده می‌کنند، این گل اگر با گلهای دیگر مخلوط شود تکسچر خاصی به آنها می‌دهد.

گل استون‌ور

استون‌ور بین ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه پخته شده و از گلهای نوع دوم محسوب می‌شود و رنگ پخته آن از خاکستری روشن تا قهوه‌ای تیره تغییر می‌کند.

گل معمولی سرامیک (ارتن‌ور)

این نوع گل دارای مقدار زیادی آهن بوده و در حرارت ۹۵۰ تا ۱۱۰۰ درجه پخته می‌شود. ظرفهای معمولی سرامیک و کاشیها را با این گل می‌سازند.

علل مخلوط کردن گلها

بدلایل زیر گلها را با هم مخلوط می‌کنیم.

1. تغییر رنگ یا بافت
2. تغییر میزان چسبندگی
3. تغییر میزان انقباض
4. تغییر درجه پخت
5. تغییر بخاطر پذیرش لعاب

ساختن گل چینی

برای ساختن گل چینی مواد زیر را با هم مخلوط می‌کنند:

• کائولن : ۵ قسمت
• فلدسپات : ۳ قسمت
• کوارتز : ۲ قسمت

کائولن در ۱۵۰۰ درجه می‌پزد ولی با اضافه کردن مقداری فلدسپات این حرارت را به ۱۳۰۰ درجه تقلیل می‌دهیم و برای جلوگیری از پیچش آن مقداری نیز کوارتز اضافه می‌کنیم. ولی چون کار کردن با این نوع گل مشکل است بنابراین بایستی مقداری بال کلی به آن اضافه کنیم تا چسبندگی بیشتری پیدا کند.
پس فرمول کامل آن چنین می‌شود:

• کائولن : ۴ قسمت
• بال کلی : ۱ قسمت
• فلدسپات : ۳ قسمت
• کوارتز : ۲ قسمت

روش تهیه گل چینی و پختن آن در سال ۱۷۱۰ توسط یک فرد آلمانی کشف و متداول گردید.

طرز تهیه گلهای مختلف برای کارهای مختلف

برای هر کاری یک نوع گل بخصوص لازم است مثلاً برای چرخ کاری بایستی به اندازه کافی چسبندگی داشته باشد. ولی در کارهای قالبی به چسبندگی احتیاجی نیست بلکه برعکس بایستی چسبندگی را از آن گرفت تا از ترک خوردگی آن جلوگیری شود. برای چسبناک کردن گلهای سرامیکی می‌توان با اضافه کردن مقداری بال کلی آن را مناسب نمود. اگر چسبندگی گل خیلی زیاد باشد می‌توان به آن خاکه سفال اضافه کرد ولی مقدار آن اگر از ده درصد تجاوز کند چسبندگی آن کم و کار با آن مشکل خواهد بود.

گل قالب زنی

کارهائی نظیر قالب‌زنی، مجسمه‌سازی و نقش برجسته که نسبتاً ضخیم هستند به گلی احتیاج دارد که هم به سرعت خشک شود و هم ترک نخورد و در موقع پختن نیز سالم بماند، برای بدست آوردن چنین گلی ۲۰ تا ۳۰ درصد خاکه سفال به آن اضافه می‌کنیم. دانه‌های خاکه سفال می‌تواند هم درشت و هم کوچک باشد. مخلوط  کردن بال گلی و خاکه سفال برای ساختن مجسمه‌های پیچیده‌ای که احتیاج به گلی چسبنده ولی کم انقباض دارد بسیار مفید است. اضافه کردن موادی نظیر خاکه اره، خاکستر و مواد سوختنی دیگر چسبندگی گل را از بین می‌برد و عمل خشک شدن را سریع می‌سازد. اضافه کردن مواد سوختنی به گل جهت ساختن کارهای حجیم بسیار مناسب است.

گل برای ریخته‌گری (دوغاب)

اگر دوغاب گل را در قالب گچی بریزیم پس از مدتی در جداره قالب دیواره‌ای به ضخامت قابل توجهی که اندازه آن به مدت زمان بستگی دارد بوجود می‌آید.

در این حال اگر دوغاب اضافی را خالی کنیم پس از مدتی کافی، می‌توانیم مجسمه را از قالب بیرون بیاوریم. برای درست کردن دوغاب گل بایستی هم وزن خاک آب بریزیم ولی این مقدار آب باعث ترک خوردگی در ظرف می‌شود و بایستی با اضافه کردن ماده‌ای مانند سیلیکات سدیم یا کربنات سدیم از مقدار آن بکاهیم.
فرمول جهت درست کردن دوغاب:

• خاک  : ۱۰۰ قسمت
• آب : ۳۵ تا ۵۰ قسمت
• کربنات سدیم : یک سوم قسمت

اول کربنات سدیم را اندازه گرفته و آن را با مقدار آب لازم مخلوط نموده و سپس خاک را کم کم اضافه می‌کنیم و یا 500 گرم خاک و 300 گرم آب حاضر می‌کنیم سپس خاک را 50 گرم  50 گرم در آب می‌ریزیم تا مقدار خاک در آب به 250 گرم برسد. چون این دوغاب سفت است با بورت چند قطره سیلیکات سدیم می‌ریزیم تا شل شود. این عمل را تا تمام شدن خاک ادامه می‌دهیم.

بایستی این دوغاب را یک ساعت نگه داشت اگر دوغاب ته‌نشین نشد برای قالب‌ریزی آماده است ولی اگر ته‌نشین شد بایستی کمی دیگر سیلیکات سدیم به آن اضافه کنیم.

قالبهای گچی پس از مدتی کار چون سیلیکات سدیم و کربنات سدیم به داخل آنها نفوذ می‌کند بلااستفاده می‌شوند و بایستی آنها را عوض کرد.

باید دانست گلی را که برای دوغاب انتخاب می‌کنیم نبایستی زیاد چسبنده باشد.