кремнеземистая керамика и способ ее изготовления

Формула изобретения

1. Кремнеземистая керамика, включающая немолотый кварцевый песок, мелкодисперсный кремнезем, известковосодержащий и галогенсодержащий компоненты, отличающаяся тем, что для самоглазурования поверхности изделий она дополнительно содержит едкий натр и ПАВ, в качестве известковосодержащего компонента - оксид кальция, в качестве галогенсодержащего компонента - бишофит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мелкодисперсный кремнезем - 10 - 90

Оксид кальция - 2 - 5

Бишофит - 0,5 - 1,5

Едкий натр (в пересчете на Na₂О) - 1 - 7

Поверхностно-активное вещество (сверх 100%) - 0,1 - 0,5

Немолотый кварцевый песок - Остальное

2. Способ изготовления керамических изделий, включающий приготовление исходной смеси совместным помолом кремнезема, известковосодержащего компонента, и галогенсодержащего компонента, перемешивание смеси с немолотым песком, увлажнение, прессование, сушку и обжиг, отличающийся тем, что в качестве известковосодержащего компонента используют оксид кальция, галогенсодержащего компонента - бишофит, помол смеси производят до удельной поверхности 3500-5000 см²/г, смесь увлажняют раствором едкого натра до влажности 7-12% и аэрируют в скоростной мешалке поверхностно-активным веществом, например, реагентом ОП-7 или ОП-10.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что сушку изделий ведут ступенчатым способом с выдержкой при 90-140-200^oС, а обжиг с целью самоглазурования поверхности изделий производят при 790-840^oС с максимально допустимым перепадом температур между поверхностью и центром изделий, определяемым по формуле



где - предел прочности изделия при изгибе, МПа;

К - термический коэффициент линейного расширения материала изделия, ^oС^-1;

Е - модуль упругости материала обоженного изделия, МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства строительных и дорожных материалов и может быть использовано при производстве таких изделий, как кирпич лицевой, плита облицовочная фасадная, камень бортовой и плитка тротуарная.

Известен способ изготовления керамических изделий /1/, включающий измельчение части кварцевого песка, смешивание его с немолотым кварцевым песком, увлажнение смеси щелочесодержащим связующим, прессование заготовок, сушку и обжиг, отличающийся тем, что перед измельчением к части кварцевого песка добавляют стеклобой и буру, а при увлажнении в качестве щелочесодержащего связующего вводят едкий натр до получения керамической массы состава, мас.%:

Молотый кварцевый песок - 30-60

Стеклобой - 2-5

Бура - 3-5

Едкий натр (в пересчете на N₂О) - 5-10

Немолотый кварцевый песок - Остальное

сушку осуществляют при 200-300^oС в течение 30-40 мин, а обжиг проводят при 850-900^oС в течение 70-80 минут.

Недостатками указанного способа являются

- необходимость использования буры и стеклобоя, что усложняет технологический процесс изготовления и увеличивает их себестоимость;

- необходимость дополнительной обработки готовых изделий (их шлифовки и полировки) для получения поверхности с фактурой естественного камня.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ изготовления строительной керамики на основе природного песка и керамическое изделие из сырьевой смеси, содержащей, мас.%: молотый песок 30-60, вяжущее вещество, в качестве которого используют известково-натриевый полевой шпат, или доусенит, или нефелин в сочетании с боратом или галогенидом натрия при их соотношении 0,5:1,5-1:15-10, наполнитель 3-15, немолотый кварцевый песок остальное /2/.

Способ заключается в том, что часть песка и вяжущее вещество подвергают тонкому помолу, смешивают с немолотым песком, увлажняют в зависимости от соотношения фракций песка до 7-10%, брикетируют на поддонах при давлении 7-15 МПа, сушат при 250-300^oС в течение 70 мин, обжигают при 900-1000^oС в течение 90 мин.

Данный способ имеет следующие недостатки:

- применение в качестве связующего вещества полевого шпата, доусенита и, тем более, нефелина в сочетании с галогенидами и боратами натрия не позволяет получить достаточную прочность изделий во влажном состоянии (после брикетирования) при температурах ниже 250^oС, что может привести к значительному браку изделий при их транспортировке на сушку;

- все указанные в /2/ связующие вещества являются плавнями и расплавляются в интервале температур 900-1200^oС, образуя стекловидную фазу в материале. Но основным материалом керамики является кремнезем, который уже при 870^oС совершает фазовый переход в тридимит /3/, при этом объемные изменения в материале достигают 15%, что может быть причиной разрушения изделий при обжиге. Поэтому температура обжига кремнеземистой керамики или не должна превышать 870^oС или лежать в пределах 1100-1400^oС;

- связующие вещества дозируются в кремнеземистую смесь в количестве 10-15 мас. %, что недостаточно для получения заданных физико-механических свойств изделий, поэтому приходится дополнительно вводить аморфные наполнители (стеклобой и др.), что усложняет процесс изготовления изделий и увеличивает их себестоимость.

Задачей предлагаемого изобретения является создание самоглазурующейся кремнеземистой керамики, получаемой при низкотемпературном обжиге и обладающей высокими служебными характеристиками.

Техническим результатом является увеличение прочности, водоморозостойкости и достижение эффекта самоглазурования керамических изделий.

Указанный технический результат достигается тем, что кремнеземистая керамика, включающая немолотый кварцевый песок, мелкодисперсный кремнезем, известковосодержащий и галогенсодержащий компоненты, отличается тем, что для самоглазурования поверхности изделий она дополнительно содержит едкий натр и ПАВ, в качестве известковосодержащего компонента - оксид кальция, в качестве галогенсодержащего компонента - бишофит, при следующем соотношении компонентов, мас. %.

Мелкодисперсный кремнезем - 10-90

Оксид кальция - 2-5

Бишофит - 0,5-1,5

Едкий натр (в пересчете на Na₂О) - 1 -7

Поверхностно-активное вещество (сверх 100%) - 0,1-0,5

Немолотый кварцевый песок - Остальное

Смесь мелкодисперсного кремнезема, оксида кальция и бишофита подвергают механо-химической обработке и диспергируют в проходной виброцентробежный мельнице до получения материала с удельной поверхностью 3500-5000 см²/г. К полученной смеси добавляют немолотый кварцевый песок и водный раствор едкого натра (1-7 мас. % в пересчете на Na₂О). При этом количество воды берется с расчетом до получения влажности формуемой смеси 7-8% для полусухого прессования и 9-12% для виброформования.

Для придания смеси пластичности в нее добавляют 0,1-0,5% (сверх 100%) поверхностно-активного вещества, например, реагента ОП-7 или ОП-10 и в течение 2 минут аэрируют в скоростной мешалке при 2800-3000 об/мин.

Плоскостные изделия изготавливают виброформованием, объемные - полусухим прессованием.

Заформованные изделия сушат по ступенчатому режиму с выдержкой при 90-140-200^oС, а обжиг для получения самоглазурованной поверхности изделий производят при 790-840^oС, при этом изделия с большей массой обжигаются при более высокой температуре. Режим обжига определяется максимально допустимым перепадом температур между поверхностью и центром изделия. Расчет ведется по формуле



где где - предел прочности обожженного изделия при изгибе (для расчетов принимается от 15 до 80 МПа);

К - термический коэффициент линейного расширения кремнеземистой керамики (для расчетов К=12,8210^-6 С ^-1);

Е - модуль упругости обожженной керамики (для расчетов Е_ср= 15000 МПа.

Сущность изобретения состоит в том, что добавка водного раствора гидоксида натрия позволяет равномерно распределить натрийсодержащее вещество по керамической массе в процессе перемешивания. При этом происходит растворение активированного кремнезема щелочью с образованием силиката натрия. В результате этого масса приобретает вяжущие свойства, из нее можно формовать изделия полусухим прессованием, виброформованием или иным способом.

Кременезем используют в виде тонкомолотого кварцевого песка, маршалита, диатомита, трепела, опоки, золы-уноса и т.п., с удельной свободной поверхностью зерен от 3500 до 5000 см²/г.

Для снижения трудоемкости и экономии материала в тонкомолотую смесь добавляют природный немолотый кварцевый песок в количестве не более 86,5%.

Сушка изделий в ступенчатом режиме позволяет избежать трещинообразования и снизить влажность материала до 0,5-1,0%.

В процессе обжига при температурах 320-360^oС непрореагировавшая с кремнеземом щелочь начинает плавиться, интенсифицируя образование силиката натрия. В интервале температур 790-840^oС происходит спекание материала за счет образования легкоплавкой эвтектики состава Na₂ОSiО₂- Na₂О3СаО6SiO₂-SiO₂.

За счет разности температур по сечению изделия соединение Na₂ОSiО₂ диффундирует к поверхности, образуя на ней слой кремнеземистого стекла в виде глазури.

Высокая прочность материала обеспечивается равномерностью распределения в нем натрийсодержащего компонента за счет смешивания и аэрации смеси с поверхностно-активным веществом ОП-7 или ОП-10.

Кроме того, растворение поверхности зерен кремнезема щелочью в процессе смешивания и аэрации способствует хорошей смачиваемости их расплавом при спекании, что также повышает прочность материала.

При самоглазуровании керамики кремнеземистое стекло, выходя на поверхность изделия в виде глазури, закупоривает поры в материале, что уменьшает его водопоглощение до 1-5% и значительно увеличивает морозостойкость и истираемость.

При содержании в массе едкого натра менее 1 мас.% жидкая фаза при обжиге практически не образуется, что значительно снижает прочность материала. Самоглазурование поверхности изделий при этом также не происходит, а водопоглощение материала возрастает. Добавка более 7% едкого натра приводит к увеличению сплавленных прослоек между зернами кремнезема и повышению хрупкости материала.

Оксид кальция добавляют в виде молотой гашеной извести. Добавка СаО повышает прочность отформованных изделий во влажном состоянии, увеличивает водо-, морозостойкость материала, так как система CaONa₂OSiO₂ в славленном состоянии более водостойка, чем система Na₂OSiO₂.

Галогенсодержащий компонент - бишофит, начиная с температуры 750^oС, окисляется до оксида магния, а активный MgO, как сильный плавень, увеличивает прочность, твердость и блеск образующегося на поверхности изделия слоя глазури.

Степень глазурования определяется по блеску покрытия обожженного изделия с помощью фотоэлектрического блескомера ФБ-2.

Предложенная самоглазурующаяся кремнеземистая керамика может быть использована для производства высококачественных изделий при невысокой температуре обжига (не более 840^oС), проста в изготовлении, не содержит дефицитных компонентов.

Свойства предлагаемых изделий и параметры способа их изготовления характеризуются следующими примерами.

Приготавливались смеси (табл.1), из которых прессовались и виброформовались изделия: смесь 1 - плита облицовочная фасадная; 2 - лицевой кирпич; 3 тротуарная плитка; 4 - камень бортовой.

В табл. 2 приведены физико-механические свойства указанных изделий.

Предлагаемый состав смеси и способ изготовления самоглазурующейся кремнеземистой керамики впервые реализован авторами, обладает научной новизной и является, по мнению авторов, основанием для выдачи патента на изобретение.

Для заявленного материала и способа его получения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных технологических приемов и режимов изготовления изделий.

Предлагаемая в данном изобретении самоглазурующаяся кремнеземистая керамика и способ ее изготовления при их осуществлении обеспечивают реализацию заявляемого технологического результата. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Айвазов М.И. и др. Патент РФ, С 04 В 35/14, 2124488,1999 г.

2. Айвазов М.И. и др. Патент РФ, С 04 В 35/14, 2135431,1999 г.

3. Августиник А.И. Керамика, 1975, стр. 113, стр. 114, рис.33.