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Porosität

Porosität keramischer Massen - Warenkunde aus dem Hause Holst Porzellan/Germany

 
 

Die Porosität ist eine dimensionslose Messgröße und stellt das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches dar. Sie dient als klassifizierendes Maß für die tatsächlich vorliegenden Hohlräume. Zur Anwendung kommt die Größe im Bereich der Werkstoff- und Bautechnik sowie in den Geowissenschaften. Die Porosität hat großen Einfluss auf die Dichte eines Materials sowie auf den Widerstand bei der Durchströmung einer Schüttung (Darcy-Gesetz).

 

Ursprünglich durch natürliche Gegebenheiten bedingt und in der Regel besonders bei der Herstellung anspruchsvoller Gußerzeugnisse unerwünscht[1] gibt es heute auch eine künstlich herbeigeführte, insofern erwünschte Porosität, vornehmlich im Dienste der Herstellung von Leichtbaustoffen. Metallschaum und Leichtbeton sind Beispiele einer Porosität, die als solche aber nicht Gegenstand dieses Beitrags ist.

Unter Poren sind die Hohlräume zu verstehen, die sich im Material zwischen den einzelnen Komponenten befinden. Die Gesamtheit der Hohlräume wird als Porenraume (Porenvolumen) bezeichnet. Als absolute Porosität (Gesamtporosität) wird das Verhältnis von Porenvolumen zum Gesamtvolumen durch den Porositätsfaktor erfasst.

 

Porosität von Keramik

 

Das Porenvolumen hängt von einigen Faktoren ab, wie der Kornverteilung (Kornsummenkurven), der Lagerungsdichte der einzelnen Körner und der Konform (Oberfläche) sowie der Ungleichförmigkeit des Korngemisches. Je verteilter und ungleichmäßiger das Korngemisch, je dichter die Lagerung und je regelmäßiger die Oberfläche, desto geringer ist die Porosität. Sie wird im Labor mittels Wägung eines wassergesättigten und des getrockneten Probenkörpers ermittelt. Nicht das gesamte Porenvolumen ist für die Wasserbewegung nutzbar. Der Teil des Wassers, der am Korn haftet und sich nicht bewegt, wird als Haftwasser bezeichnet. Mit abnehmender Korngröße nimmt der Haftwasseranteil in den Poren deutlich zu, so dass das nutzbare oder effektive Porenvolumen für feinen Schluff/Ton unter 5 % liegt. 

 

In der Regel besitzen die Werkstoffe der technischen Keramik keine offene Porosität und sind somit gas dicht. Bei einigen Werkstoffen ist die Porosität jedoch gewünscht, da dadurch z. B. thermische Belastungen besser beherrschbar sind oder große Oberflächen benötigt werden. Durch Rohstoffauswahl, den Herstellungsprozess und ggf. Zuschlagsstoffe kann die Porosität gezielt erzeugt werden. Damit sind geschlossene und offene Poren in unterschiedlichen Größen von einigen mm bis zu einigen µm möglich. Prüfverfahren zur Bestimmung der Porosität sind in DIN EN-623-2 festgelegt. 

 

 

Die Kenngrößen keramischer Werkstoffe für die Festigkeit [MPa]¹² streuen statistisch in Abhängigkeit von der Werkstoffzusammensetzung, der Korngröße der Ausgangs- und Zusatzmaterialien, den Fertigungsbedingungen und dem Herstellungsverfahren. Nach dem so genannten weakest-link-Modell entscheiden die hierdurch bedingte Defektverteilung und der so genannte kritische Defekt (Fehlstelle) über die Zuverlässigkeit des Bauteils. Deshalb ist die Streuung zwischen verschiedenen Chargen größer als diejenige innerhalb einzelner Chargen. 

 


 

 

Maßeinheiten für keramische Porosität

 

Porosität kann nur labortechnisch ermittelt werden. Durch eine Wasseraufnahmefeststellung - in kochemdem Wasser - wird die Auftriebswägung mit einer Spezialwaage dem Trockengewicht gegenüber gestelt. Über die Zunahme an Gewicht kann der Laborant dann die Rohdirchte erechnen die dann wiederum in Porosität umgerechnet werden kann. Die Verfahrenstechnik zur Ermittlung der Porosität ist nach DIN EN-1217 "Werkstoffe und Gegenstände in Kontakt mit Lebensmitteln - Prüfverfahren für die Wasseraufnahme von keramischen Gegenständen" geregelt- 

 

  • Micrometer (μm). Zum Verständnis: 1 Micrometer entspricht der Länge von 0,001 Millimetern. Formel: 1 μm x 1.000 = mm.
  • Prozent (%) als Koeffizient zum Massenkörper

 

Gemessen wir die Porosität in der Porzellanindustrie durch ein Testverfahren der Absorption (Wasserabsorption) , also einer Methode, bei der die Dichtigkeit der Scherbe durch das Aufnahmevolumen von Flüssigkeit ermittelt wird. Ist die Absorption 0% gilt der Werkstoff als vollkommen dicht. 

 

 


 

 

Scherben

 

 

Was sagt Porosität über Porzellan aus?

 

Die Porosität einer Scherbe ist ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung von

 

  • Qualität
  • Stabilität
  • thermische Speicherfähigkeit
  • Langlebigkeit
  • Eignung

 

des Porzellan. Als Faustformel gilt: Je besser der Rohstoff und je höher die Brenntemperatur, desto geringer fällt die Porosität der Ware aus! 

 

 

Es ist bekannt, dass "Porzellan" von Land zu Land und von Hersteller zu Hersteller erheblich voneinander abweicht. Die Zusammensetzungen der Scherbe (Rohstoffel) ist oftmals kaum nachvollziehbar, Ersatz- und Pigmentstoffe erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Vielerorts werden neuartige Mineralien und Komplementärstoffe eingesetzt, die dem Porzellan alle möglichen, neuen Eigenschaften verleihen sollen. Im Besonderen sind dies 

 

  • höhere Bruchfestigkeit
  • klarere Farben
  • leichteres Gewicht
  • höhere Dichtigkeit 
 

 

Wir messen bei unserer Qualitätsbestimmung die Porosität von Porzellan anhand der Wasseraufnahme mit einer Fläche von 1 qcm und 1 ml Wasser auf der unglasierten Scherbe nach dem Hartbrand. Diese Methode reicht aus, den Normungen der keramischen Industrie zu entsprechen und die Ware zu beurteilen. Die Menge des von der Scherbe absorbierten Wassers bestimmt den Grad der Porosität. Um die Bestimmung möglichst genau zu halten, arbeiten wir nach der Gewichtsmethode über eine Skalierung nach Milligramm - zu bestimmen vor und nach der Flüssigkeitsaufnahme.  

 

Die Porosität wird üblicherweise in Prozent oder als Fraktion (Bruchteile von 1 = 100%) angegeben und mit dem Formelbuchstaben Φ bezeichnet. Die Gesamtporosität einer Probe setzt sich zusammen aus der Summe der Hohlräume, die untereinander und mit der Umgebung in Verbindung stehen (Nutzporosität) und den nicht miteinander verbundenen Hohlräumen (abzementierte oder geschlossene Porosität).

 

 


 

Porositäten keramischer Scherben im Vergleich 

 

 

Bei der Bewertung der Qualitäten für unsere Kollektion findet die Porosität einen wichtigen Baustein für die Beurteilung von Porzellan und keramischen Erzeugnissen. Wir messen nach folgenden Kriterien:      

   

                                     

Bezeichnung der Ware                                                Porosität %                  Max. Brenntemperatur

 

Bone China                                                                von 0,01 bis 0,05              1380 -1450 °C
 

Hartporzellan/Hotelporzellan                                        von 0,01 bis 0,09              1290 - 1450 °C

 

High Alumina Porzellan                                                von 0,01 bis 0,03              1380 - 1400 °C

 

Alumina Porzellan                                                       von 0,01 bis 0,03               1320 - 1380 °C

 

Stoneware/Hartkeramik                                               von 0,500 bis 2,90             1220 - 1280 °C
 

New Bone China/Durable Porcelain                               von 0,800 bis 6,90             1220 -1250 °C
 

Keramik/Steinzeug                                                      von 1,200 bis 9,90             1100 -1220 °C
 

Steingut/Terrakotta/Earthenware                                  von 2,000 bis 13,00            800 - 1000 °C 

 

 

 

Aufgrund der spezifischen Dichte und der geringen Porosität verdankt Porzellan seine besonderen Verwendungseigenschaften als Wärmespeicher. Weder Hartglasgeschirr, noch Metall können vortemperierte Wärme so lange in sich speichern, wie Porzellan. Das macht es für das Servieren von warmen Speisen besonders geeignet. Die Porosität keramischer Qualitäten ist abhängig von den Rohstoffen und deren Brenntemperatur.