Стеклокерамика, способ ее получения и применения

Стеклокерамика, способ ее получения и применения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к стеклокерамике, состоящей из:

SiO2	30-70%
Al2O3	8-45%
M2O	8-30%
M′O	0-30%
B2O3	0-15%
P2O5	0-15%
ZrO2	0-12%
TiO2	0-12%

в которой М выбирают из группы, состоящей из: Li, Na, К или их смесей М′ выбирают из группы, состоящей из: Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Zn, Pb или их смесей, (процент рассчитан от суммарного веса смеси), ее получению и применению при производстве глазурованных или фарфоровых керамических изделий, керамических материалов или глазурей.

Уровень техники

Известно, что стекло представляет собой аморфный материал, полученный плавлением кристаллических веществ с последующим охлаждением расплавленной массы.

Напротив, стеклокерамика представляет собой стекловидную систему, в которой при нагреве до температуры T₁ выше, чем температура перехода в стеклообразное состояние Tg и ниже, чем температура плавления, происходит образование кристаллических ядер (гомогенных или гетерогенных) с последующим ростом кристаллов.

Известную стеклокерамику обычно получают путем плавления исходных материалов в расплавленную массу, которую после этого охлаждают путем закаливания с образованием стекловидных аморфных чешуек, называемых в технике фриттами, которые после этого наносят, возможно в сочетании с другими добавками, на подходящий пористый субстрат (или добавляют к другому необходимому соединению в керамической массе, если желательно получить фарфоровые керамические изделия) и подвергают процессу обжига, во время которого происходит кристаллизация стеклообразной фазы и получается желаемый конечный керамический материал. Альтернативно, расплавленная масса может быть охлаждена и затем ее подвергают циклической термической обработке, которая инициирует кристаллизацию в массе.

В заявке РСТ/ЕР97/04387 (того же самого заявителя) сообщается, что когда фритты, имеющие определенный состав, измельчаются до процесса обжига, получаются продукты, имеющие особенно выгодные свойства.

Весьма важным свойством стекловидных фритт является их коэффициент термического расширения (α), поскольку они должны соответствовать расширению пористого субстрата, на который они наносятся во время стадии обжига. Это является особенно важным при так называемом двойном скоростном обжиге, в технологиях однократного обжига стекла при производстве глазурей и ангобов. Указанное выше свойство играет решающую роль, например, в производстве глазурованной или фарфоровой керамической облицовочной плитки, которая должна быть совершенно плоской.

До настоящего времени для повышения коэффициента термического расширения применяются два различных подхода:

а) используют фритты, имеющие высокое содержание фтора,

б) используют фритты, имеющие высокое содержание щелочных элементов.

Однако оба указанных выше подхода имеют существенные недостатки. Действительно, при использовании фритт, имеющих высокое содержание фтора, возникают проблемы, связанные с загрязнением среды, для преодоления которых требуются дорогостоящие и в то же время не всегда удовлетворительные технические решения. С другой стороны, известные в настоящее время фритты, имеющие высокое содержание щелочных элементов, обычно не кристаллизуются с образованием однородных стекол, которые при использовании, например, в производстве глазурей, дают продукты, которые легко разрушаются кислотами, и даже растворяются в водной среде.

Из сказанного выше ясно, что создание новой стеклокерамики, имеющей желаемые свойства и особенно высокий коэффициент термического расширения, является важной задачей.

Из патента ЕР 1000588 известна стеклокерамика, предназначенная для использования в зубоврачебной практике, близкая по составу к стеклокерамике, предлагаемой в данном изобретении и обладающая высоким коэффициентом термического расширения. Однако в данном источнике информации нет указания на возможность использования ее для целей настоящего изобретения.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение решает поставленную выше задачу благодаря новой стеклокерамике, имеющей указанный выше состав. Согласно изобретению, предпочтительной является стеклокерамика, состав которой выбирается из группы составов приведенной ниже (в % масс):

Конкретные примеры стеклокерамики согласно настоящему изобретению имеют состав, указанный ниже:

Другие составы согласно изобретению приведены в следующей таблице:

Стеклокерамику согласно изобретению можно использовать как таковую для того, чтобы получить керамику, или ее можно добавлять к материалам, которые обычно используются для получения фарфоровой керамики или глазури.

Указанное выше увеличение коэффициента термического расширения стеклокерамики согласно изобретению отчасти позволяет глазури (благодаря кристаллизации in situ) приобрести исключительную непрозрачность, что приводит к повышенному значению индекса белизны (WI) по сравнению с тем, которое получается при добавлении в стекло обычных глушителей, более того, благодаря химической стабильности и высокой механической стойкости кристаллической фазы, перекристаллизованной на поверхности глазури, субстрату обеспечиваются улучшенные физико-химические свойства по сравнению со свойствами традиционных глазурей.

Стеклокерамика согласно настоящему изобретению может быть получена в соответствии со способом, который практически аналогичен тем, которые уже используются в этой области техники для получения продуктов такого типа.

Исходные материалы расплавляют, подвергают быстрому охлаждению для того, чтобы получить аморфные фритты или, альтернативно, стекловидную массу охлаждают до комнатной температуры, используя известные технологии (прокат стекла, литье, выдувание стекла и др.) и после этого подвергают обычной циклической термообработке (отжиг, образование зародышей и их рост), которая приводит к релаксации внутренних напряжений и вызывает образование керамики из стекловидной массы.

Затем фритты измельчают в мельнице, чтобы получить стекловидный порошок, который после этого наносят на желаемый субстрат, возможно в сочетании с другими добавками, которые обычно используются для получения глазурей или фарфоровых керамических изделий, и субстрат направляют на обычную стадию обжига для того, чтобы получить окончательный желательный керамический продукт.

Предпочтительно, исходные оксиды расплавляют в печи-ванне для керамических фритт (также можно использовать газовые или электрические печи обжига для производства стекла), причем обычно температура плавления находится между 1400 и 1500°С.

При осуществлении быстрого охлаждения оно достигается путем использования воды или холодных цилиндров из нержавеющей стали; если предпочтительной является кристаллизация в массе, для этой цели используются обычные методики, известные из уровня техники в области технологии стекла.

Измельчение фритт осуществляется с использованием известных способов (в шаровых мельницах, барабанных мельницах и др.), причем окончательный размер частиц порошка обычно составляет между 5 и 50 мкм (порошки), 0,05-0,35 мм (гранулы фритты) или 0,14-0,63 мм (таблетированные гранулы), в соответствии с требованиями последующего применения.

Порошки или гранулы, полученные при измельчении, могут быть переработаны на следующих стадиях (то есть при получении конечных глазурованных продуктов и фарфоровых керамических изделий) в соответствии с методиками и условиями, которые обычно применяются в таких способах и хорошо известны специалистам из уровня техники.

Как указано выше, стеклокерамика согласно изобретению может быть добавлена к материалам, которые обычно применяются для получения фарфоровых керамических изделий. Добавление стеклокерамики согласно изобретению позволяет получать керамику, следуя способу, который обычно применяется для получения фарфоровой керамики, что приводит к значительной экономии энергии.

Например, для получения фарфоровых керамических изделий, стеклокерамику согласно изобретению добавляют к традиционной смеси исходных материалов для получения фарфоровой керамики (например, глины (Na, К) полевой шпат, натриевый полевой шпат, песок полевого шпата) в соответствующих соотношениях. Эту смесь загружают в шаровую мельницу Альсинга (непрерывного или периодического действия) и измельчают в присутствии воды для того, чтобы получить суспензию, которую сушат с использованием распылителя с образованием полых зерен. Этим зернам придают желаемую форму путем традиционного прессования. Плитки сушат и обжигают в традиционной печи при температуре 900-1230°С, получая конечный продукт. Альтернативно, порошок стеклокерамики можно смешивать с материалом, высушенным с использованием распылительной сушки, внутри цилиндрической камеры, с использованием вращающихся приспособлений в виде плужного лемеха для того, чтобы улучшить спекание.

Если желательна глазурь, стеклокерамику согласно изобретению и исходный материал, который обычно используют для получения керамической глазури (такой же, как указано выше, но, как известно, более чистой, поскольку речь идет о хромогенных металлах)в соответствующих соотношениях, загружают в шаровую мельницу Альсинга (непрерывного или периодического действия) в присутствии воды и измельчают для того, чтобы получить так называемую "глазурь", которую наносят с помощью аэрографа, нарезной плашки, колокола или сериграфии на традиционный субстрат, необожженный или с эмалевым необожженным покрытием, полученным путем прессования распыленных или измельченных в сухом состоянии порошков. Высушенную и/или гранулированную глазурь можно осадить на поверхность субстрата путем осаждения и зафиксировать соответствующими лигандами. Альтернативно, измельченную глазурь объединяют с фарфоровой керамикой и затем осаждают в пресс-форме. Субстрат обжигают при температуре 900-1230°С в печи ускоренного обжига или в туннельной печи (непрерывного или периодического действия), получая конечный продукт, в котором стеклокерамика вызывает регулируемую кристаллизацию.

Стеклокерамика согласно изобретению может быть использована для получения облицовочной плитки, санитарно-технических изделий, столовой посуды, кирпичей и др., с применением обычных технологических приемов и способов, известных из уровня техники.

Ниже для иллюстрации приведены некоторые примеры получения стеклокерамики согласно изобретению, и ее применению при получении фарфоровой керамики и глазури.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Пример 1

В стеклокерамику GV 3, состав которой приведен в описании (35% мас.), добавляют 10% мас. глины, 20% мас.(Na, К) полевого шпата, Na-полевой шпат (30% мас.), песок полевого шпата (5% мас.). Эту смесь загружают в шаровую мельницу Альсинга (непрерывного или периодического действия) и измельчают в присутствии воды для того, чтобы получить суспензию, которую сушат с использованием распылителя с образованием полых зерен, которым затем придают форму плитки путем традиционного прессования.

Плитки сушат и обжигают в традиционной печи при температуре 900-1230°С, получая конечный продукт. Полученные плитки содержат синтезированные и кристаллизованные материалы и остаточную стекловидную фазу, как свидетельствуют данные минерального и рентгеновского анализа поверхности плитки.

Пример 2

В стеклокерамику GV 4, состав которой приведен в описании (50% мас.), добавляют 5% мас. глины, 30% мас.(Na, К) полевого шпата и Na-полевой шпат (15% мас.). Эту смесь загружают в шаровую мельницу Альсинга (непрерывного или периодического действия) и измельчают в присутствии воды для того, чтобы получить так называемую глазурь, которую наносят аэрографом на традиционный необожженный субстрат, полученный прессованием обычного распыленного измельченного порошка.

Субстрат обжигают при температуре 900-1230°С в печи ускоренного обжига или в туннельной печи (непрерывного или периодического действия), получая конечный продукт, в котором стеклокерамика вызывает регулируемую кристаллизацию.

В полученной таким образом плитке содержится стекловидная и кристаллизованная фазы, которые соответствуют продукту с очень хорошо определенной микроструктурой, как показано методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии.

Были исследованы некоторые свойства заявленных стеклокерамик, а именно: плотность, коэффициент термического расширения, температуры стеклования (дилатомерическая и термогравиметрическая), температура кристаллизации, а также их поведение (устойчивость) в присутствии агрессивных кислот.

Исследуемый состав

SiO2	47,57%
В2O3	4,71%
Li2O	0,94%
Na2O	7,30%
K2O	2,26%
CaO	1,89%
Al2O3	27,71%
ZrO2	2,81%
ZnO	4,81%

Плотность: 2,503 г/см³

Коэффициент термического расширения: α=71,14×10^-7 °С^-1

Температура стеклования (дилатометрическая): 625°С

Температура стеклования (термогравиметрическая): 650°С

Температура кристаллизации: 955°С

Устойчивость к кислоте: не изменяется после 4 дней обработки 3% раствором соляной кислоты.

Исследуемый состав

SiO2	43,56%
В2O3	5,10%
Na2O	19,10%
CaO	1,15%
Al2O3	29,38%
ZrO2	1,72%

Плотность: 2,38 г/см³

Коэффициент термического расширения: α=128×10^-7 °С^-1

Температура стеклования (дилатометрическая): 497,4°С

Температура стеклования (термогравиметрическая): 650°С

Температура кристаллизации: 884,5°С

Устойчивость к кислоте: не изменяется после 4 дней обработки 3% раствором соляной кислоты.

При исследовании ряда других составов стеклокерамик (фритт глазури) по изобретению были измерены величины дилатометрического (термического) коэффициента (α) (величина коэффициента приведена под составом):

1. Стеклокерамика для изготовления глазурей, фарфоровых изделий, облицовочной плитки, столовой посуды или кирпича, состав которой выбирают из группы, состоящей из, мас.%:

a) SiO2	42,3
В2О3	3,2
Р2O3	0,6
Li2O	2,1
К2О	0,7
Na2O	22,2
MgO	0,9
BaO	0,2
Al2О3	26,1
ZrO2	1,2
TiO2	0,5
б) SiO2	42,6
В2O3	6,8
K2O	12,0
Na2O	12,0
MgO	5,0
ZnO	0,5
Al2O3	16,0
ZrO2	5,1
в) SiO2	50,4
В2O3	3,1
Li2O	7,3
K2O	6,2
Na2O	10,0
Al2O3	23,0
г) SiO2	42,8
В2O3	1,6
P2O5	1,6
K2O	20,0
Na2O	2,0
Al2O3	32,0
д) SiO2	55,2
K2O	17,0
Na2O	5,0
Al2O3	18,0
ZrO2	2,1
TiO2	2,7
e) SiO2	62,1
В2O3	2,0
K2O	0,8
Na2O	10,0
BaO	1,0
Al2O3	21,0
PbO	3,1
ж) SiO2	62,8
K2O	6,8
Na2O	7,4
CaO	1,5
BaO	1,0
ZnO	1,0
Al2O3	19,0
PbO	0,5
з) SiO2	42,0
Na2O	15,6
CaO	5,8
Al2O3	36,0
PbO	0,6
и) SiO2	78,7
K2O	10,2
Al2O3	11,1
к) SiO2	54,2
Li2O	2,0
Na2O	16,5
MgO	3,0
Al2O3	20,2
TiO2	3,1
PbO	1,0
л) SiO2	50,0
K2O	6,1
Na2O	18,1
BeO	5,4
Al2O3	20,4
м) SiO2	45,2
В2O3	10,1
K2O	1,2
Na2O	19,6
SrO	8,1
CaO	2,4
Al2O3	12,3
ZnO	1,1
н) SiO2	49,47
В2О3	4,90
Li2O	0,98
Na2O	7,59
K2O	2,35
CaO	2,97
Al2O3	28,82
ZrO2	2,92
о) SiO2	49,47
В2О3	4,90
Li2O	0,98
Na2O	7,59
K2O	2,35
CaO	1,97
Al2O3	28,82
ZrO2	2,92
ZnO	1,0
п) SiO2	48,51
В2O3	4,80
Li2O	0,96
Na2O	7,44
K2O	2,30
CaO	4,85
Al2O3	28,26
ZrO2	2,86
р) SiO2	47,57
В2О3	4,71
Li2O	0,94
Na2O	7,30
K2O	2,26
CaO	1,89
Al2O3	27,71
ZrO2	2,81
ZnO	4,81
с) SiO2	43,56
В2O3	5,10
Na2O	19,10
CaO	1,15
Al2O3	29,38
ZrO2	1,72

2. Способ получения стеклокерамики по п.1, в котором

а) исходные материалы расплавляют, подвергают быстрому охлаждению с получением аморфных фритт,

б) фритты измельчают в мельнице с получением стекловидного порошка,

в) порошок наносят на желаемый субстрат, возможно в сочетании с другими добавками, которые обычно используются для получения глазурей или фарфоровых керамических изделий, и субстрат направляют на обычную стадию обжига с получением окончательного желательного керамического продукта.

3. Способ по п.2, в котором на стадии а) стекловидную массу охлаждают до комнатной температуры, используя известные технологические приемы (прокат стекла, литье, выдувание стекла и др.) и после этого подвергают обычной циклической термообработке, которая вызывает образование керамики из стекловидной массы.

4. Применение стеклокерамики по п.1 для получения глазурей или фарфоровых керамических изделий.

5. Облицовочная плитка, санитарно-технические изделия, столовая посуда, кирпичи, полученные с применением стеклокерамики по п.1.

Приоритет установлен по дате подачи первой заявки № 00115736.1, поданной 21.07.2000 в Патентное ведомство ЕР.