- •Печатается по решению редакционно-издательского совета
- •Isвn 978-5-89040-417-6 © Турченко а.Е, Суслов а.А, 2012
- •Теоретические и научно-практические редпосылки формирования структуры дисперстных глинистых минералов и свойств сырца керамических материалов
- •1.1. Формирование глинистых минералов и пород в естественных условиях
- •1.2. Основные виды структур глинистых минералов
- •1.3. Особенности межчастичных взаимодействий глинистых минералов в водных дисперсиях
- •Физико-химические свойства мономинеральных глин
- •Между структурными элементами:
- •Особености влияния химических добавок на свойства шихты, сырца и обожженных изделий
- •2.1. Классификация и общая характеристика химических добавок
- •2.2. Опыт применение добавок пав при производстве керамических изделий
- •Влияние добавок пав на структурные свойства глинистых дисперсий
- •А) без добавок
- •Б) с ионогенной гидрофилизирующей добавкой
- •В) с ионогенной гидрофобизирующей добавкой
- •Каолиновой дисперсии с анионактивными добавками при прессовании
- •3. Методика проведения исследований
- •3.1. Выбор сырьевых материалов для изучения влияния ионогенных добавок пав на свойства «модельных и реальных» глинистых дисперсий
- •Содержание кальция и магния в глинах
- •Содержание калия и натрия в глинах
- •Характеристика добавок поверхностно-активных веществ
- •Характеристика добавок электролитов
- •3.2. Методика оценки массовой доли ионогенных добавок пав на процессы структурообразования формовочных масс и готовых изделий
- •Изменение сорбционных свойств каолина в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •Изменение сорбционных свойств бентонита в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •Изменение сорбционных свойств каолинито-монтмориллонитовой глины (латненская – лт) в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •Изменение сорбционных свойств пресс-порошка в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •Р ис. 4.1. Изменения эффективной удельной поверхности глинистых дисперсий в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •4.2. Исследование влияния ионогенных пав на формирование контактов микроструктуры глинистых дисперсий
- •Из пресс-порошка с гидрофобизирующей добавкой. Увеличение х 15 000
- •4.3. Исследование влияния ионогенных пав на процессы прессформования и свойства сырца керамических изделий
- •В зависимости от вида ионогенной добавки и формовочной влажности Выводы
- •5. Оптимизация технологических параметров изготовления керамических облицовочных материалов с использованием ионогенных пав
- •5.1. Оптимизация состава и температуры обжига модельной системы «глина – плавни» при введении ионогенных пав
- •Уровни варьирования содержания плавней в шихте
- •Матрица планирования и физико–механические свойства керамических изделий, обожженных при температуре обжига 1000 ºС
- •С добавкой б) «Пеностром»
- •С добавкой в)
- •С добавкой в)
- •5.2. Исследование влияния вида и массовой доли ионогенных пав на сорбционные свойства шихты и физико-механические характеристики керамических изделий
- •4. Добавка - метилсиликонат натрия имеет следующую структурную формулу:
- •6.2. Рекомендации по оптимизации производственного состава керамической плитки для внутренней облицовки на основе многокомпонентной шихты вкз
- •Оптимизация состава проводилась с использованием д - оптимального метода планирования трехфакторного эксперимента [74, 75] (табл. 6.4).
- •Уровни варьирования рецептурно-технологических факторов
- •На основании полученных результатов показано влияние ионогенной добавки на физико-механические свойства керамических плиток табл. 6.5.
- •Результаты определения воздушной усадки
- •Результаты определения огневой и общей усадок
- •От массовой доли добавки гкж-11 и температуры обжига
- •Керамического кирпича от содержания добавки гкж-11 и температуры обжига
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Приложение
- •3 94006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
С добавкой б) «Пеностром»
Rизг = 16,87 +
+0,58R2O - 0,15R2O 2
- 0,12RO - 0,25RO2
+ 0,3 R2O RO
Оптимальное соотношение
RO/ R2O составляет 0,3–0,5
С добавкой в)
«ГКЖ –11»
Rизг = 14,92 –
-0,58R2O–0,44R2O2– - 0,12 RO + 0,54RO2 –
1,23 R2O RO
Оптимальное соотношение
RO/ R2O составляет 0,2–0,3
Рис. 5.2 - Диаграммы зависимости предела прочности при изгибе (МПа) керамических изделий от содержания плавней и вида ионогенной добавки
(максимальная температура обжига 1000 ˚С)
Без добавок а)
Rизг = 14,61 +
+0,41R2O-0,58R2O2
-0,02RO+ 0,03RO2
+ 0,04 R2O RO
Оптимальное соотношение
RO/ R2O составляет 0,2–0,5
С добавкой б)
«Пенестром»
Rизг = 13,72 +
+0,40R2O - 0,93R2O 2
- 0,48RO + 0,17RO2
+ 0,75 R2O RO
Оптимальное соотношение
RO/ R2O составляет 0,1–0,2
С добавкой в)
«ГКЖ-11»
Rизг = 17,76 -
- 1,03R2O- 0,59R2O 2
-0,01RO- 0,04RO2
+ 0,01R2O RO
Оптимальное соотношение
RO/ R2O составляет 0,2–0,4
Рис. 5.3 Диаграммы зависимости предела прочности при изгибе (МПа) керамических изделий от содержания плавней и вида ионогенной добавки (максимальная температура обжига 1050 ˚С)
5.2. Исследование влияния вида и массовой доли ионогенных пав на сорбционные свойства шихты и физико-механические характеристики керамических изделий
Проанализируем результаты исследований влияния вида и массовой доли химических добавок на физико-механические свойства сырца и обожженных изделий с учетом изменения сорбционных свойств шихты
Образцы – плиточки формовались из пресс-порошка Воронежского керамического завода, предназначенного для производства плиток внутренней облицовки. Давление прессования составляло 20 МПа. Обжиг проводился в лабораторной электропечи с выдержкой 20 мин при максимальной температуре 1040 ºС. Результаты испытаний представлены в табл. 5.5.
На основании полученных результатов установлено, что введение в формовочную шихту с водой затворения добавок ОП–8 или «Пеностром» приводит к максимальному увеличению эффективной удельной поверхности при массовой доле добавок, близкой к их ККМ. При этом отмечается повышение средней плотности и предела прочности при изгибе сырца и обожженных образцов. С повышением концентрации добавок наблюдается снижение эффективной удельной поверхности, средней плотности и предела прочности при изгибе как сырца, так и обожженных керамических образцов [69].
При использовании добавки С–3 увеличение эффективной удельной поверхности достигается при концентрации, близкой к ККМ раствора С–3. Однако наибольшее значение средней плотности и прочности сырца и соответственно, обожженных образцов достигнуты при массовой доле добавки С–3 = 0,4 %. Это обосновано снижением давления прессования при формовании вследствие достижения электролитического эффекта добавки [72].
Введение гидрофобизирующей добавки ГКЖ-11 приводит к увеличению плотности и предела прочности сырца при изгибе при массовой доле 0,2 % по сравнению с образцами без добавок [68, 69]. С дальнейшим повышением концентрации добавки отмечается снижение средней плотности и прочности сырца.
На основании проведенных исследований установлено, что применение добавки «Пеностром» или ГКЖ–11 обеспечивает максимальное повышение прочностных характеристик керамических образцов.
Установлено (см. рис. 5.4), что существенное влияние на прочностные свойства обожженных образцов оказывает не только вид ионогенной добавки, но и влажность формовочной шихты [68, 70, 73]. Поэтому при небольшом изменении формовочной влажности шихты получить стабильные физико-механические показатели готовых изделий практически невозможно, что отрицательно влияет на их качество. Тогда как введение добавки ГКЖ-11 обеспечивает получение высоких, постоянных прочностных характеристик независимо от изменения формовочной влажности шихты в пределах 2-3 %.
Это является немаловажным фактором в условиях производственного процесса, который н е всегда обеспечивает постоянную и равномерную влажность формовочной смеси.
На основании данных, представленных в табл. 5.5, установлено, что при введении ПАВ происходит повышение эффективной удельной поверхности и, следовательно, поверхностной энергии дисперсной системы, а это предполагает увеличение контакта между твердыми фазами глинистой составляющей и плавней. В результате при обжиге спекание будет происходить более интенсивно и при более низкой температуре.
Таблица 5.5
Сорбционные характеристики шихты и физико-механические свойства сырца
и обожженных образцов, отпрессованных при давлении 20 МПа
и формовочной влажности 6 и 8 %
Вид добавки |
Массовая доля добавки, % |
Эффективная удельная поверхность S·10-3, м2 /г* |
Средняя плотность сырца, кг/м3** |
Предел прочности при изгибе, МПа |
Коэффициент вариации Rизг после обжига, % |
|
сырца |
после обжига |
|||||
Без добавки |
0 |
172,2 |
2051 / 2113 |
0,42 / 0,61 |
14,5 / 16,5 |
9,8 / 5 |
Окончание табл. 5.5 |
||||||
Вид добавки |
Массовая доля добавки, % |
Эффективная удельная поверхность S·10-3, м2 /г* |
Средняя плотность сырца, кг/м3** |
Предел прочности при изгибе, МПа |
Коэффициент вариации Rизг после обжига, % |
|
сырца |
после обжига |
|||||
ОП-8 |
0,2 |
243,9 |
2072 / 2126 |
0,64 / 0,82 |
15,2 / 16,9 |
6,7 / 5 |
ОП-8 |
0,4 |
196,6 |
2085 / 2130 |
0,58 / 0,72 |
16,1 / 17,2 |
5,7 / 5 |
«Пеностром» |
0,1 |
295,3 |
2090 / 2156 |
0,50 / 0,70 |
15,9 / 17,8 |
5,3 / 3,7 |
«Пеностром» |
0,2 |
196,9 |
2128 / 2185 |
0,60 / 0,68 |
16,5 / 18,2 |
3, 6 / 2,8 |
«Пеностром» |
0,4 |
196,9 |
2112 / 2180 |
0,31 / 0,38 |
16,3 / 18,1 |
4,0 / 3,6 |
С-3 |
0,2 |
272,4 |
2079 / 2127 |
0,47 / 0,82 |
16,1 / 17,2 |
5,5 / 2,8 |
С-3 |
0,4 |
255 |
2115 / 2166 |
0,55 / 0,81 |
16,8 / 18,1 |
3,0 / 2,5 |
ГКЖ-11 |
0,1 |
209,1 |
2079 / 2150 |
0,56 / 0,57 |
17,2 / 17,5 |
3,3 / 4,7 |
ГКЖ-11 |
0,2 |
98,4 |
2095 / 2194 |
0,43 / 0,54 |
18,2 / 17,9 |
3,5 / 4,1 |
ГКЖ-11 |
0,3 |
98,4 |
2088 / 2160 |
0,42 / 0,50 |
17,3 / 17,1 |
2,3 / 2,6 |
Примечания:
* эффективная удельная поверхность – поверхность твердой фазы, покрытая монослоем адсорбированной воды:
** в числителе - при формовочной влажности 6 %,
в знаменателе – при 8 %.
Выводы
1. Установлено, что введение ионогенных ПАВ в многокомпонентную шихту с содержанием каолина более 50 % позволяет повысить прочность керамических изделий. Повышение прочности обеспечивается за счет увеличения адсорбционной способности глинистой составляющей при введении добавок.
2. Определены рациональные области формирования структуры керами-ческих изделий с заданной прочностью при изгибе в зависимости от вида ионогенного ПАВ и содержания плавней в шихте. Максимальное значение прочности при изгибе керамических образцов достигается в составах шихт с гидрофобизирующей добавкой ГКЖ–11 при соотношении щелочноземельного к щелочесодержащему плавню RO/R2O = 0,3–0,6. Для шихт с ионогенной добавкой «Пеностром» повышение прочностных показателей образцов достигается в составах с соотношением плавней RO/R2O = 0,1–0,4.
3. Показано, что использование различных видов ионогенных добавок ПАВ в многокомпонентной шихте при полусухом способе подготовки шихты неоднозначно влияет на свойства керамических изделий. Применение ионогенных ПАВ с массовой долей, соответствующей их ККМ, увеличивает сорбционные свойства глинистых минералов, обеспечивает улучшение формовочных свойств сырца и повышение прочности керамических изделий.
4. Введение ионогенной кремнийорганической добавки, гидрофобизирующей поверхность глинистых минералов, обеспечивает не только повышение прочности обожженных изделий (с 14,5 до 18,2 МПа), но и стабильность результатов по прочности (коэффициент изменчивости снижается с 6,7 % до 3,5 %) независимо от изменения влажности формовочной шихты (6–8 %) .
6. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
КЕРАМИЧЕСКИХ ОБЛИЦОВОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОНОГЕННЫХ ПАВ
6.1. Рекомендации для производства лицевого керамического кирпича
из каолинито-гидрослюдистого сырья Россошанского месторождения Воронежской области
Использование каолинито-гидрослюдистой глины Россошанского месторождения в смеси с молотым стеклобоем, мелом и добавкой метилсиликоната натрия позволяет повысить не только прочностные свойства, морозостойкость керамических изделий, но и качество этих изделий [78 – 80].
Характеристика исходных сырьевых материалов:
Каолинито-гидрослюдистая глина характеризуется:
- химическим составом, масс. % : SiO2 - 59,20; Al2O3 - 22,70; Fe2O3 - 1,45; CaO – 0,85; MgO –0,41; TiO2 – 1,40; K2O – 0,58; Na2O – 0,19 ; п.п.п – 10,41.
- гранулометрическим составом, масс. % : глинистая фракция (менее 0,005 мм) – 49,94; пылеватая фракция (0,005 - 0,05) – 36,76 и песчаная фракция (более 0,05) – 13,30.
2. Мел, содержит масс. %: СaCO3 – 92,3; п.п.п. – 41,95.
3. Строительный стеклобой включает, масс. %: SiO2 – 70,39; AI2O3 – 2,74; Fe2O3 – 1,06; CaO – 5,89; MgO – 14,15; K2O – 0,86; TiO2 – 0,60; SO3 –0,33; п.п.п. – 0,15.