Способ изготовления стеновых керамических изделий

Способ изготовления стеновых керамических изделий

Реферат

Изобретение относится к стеновой и облицовочной керамике и может быть использовано при производстве теплоизоляционных и декоративных материалов - плиток, кирпича, блоков, стеновых панелей и др.

Известен способ изготовления керамических изделий, заключающийся в измельчении сухого глинистого сырья, добавлении крупки пеностекла с размером зерен 0,1-2,5 мм, увлажнении сухих компонентов водным раствором сульфитно-дрожжевой бражки, перемешивании, формовании изделий методом полусухого прессования, сушке изделий и последующем обжиге при температуре 900...950°С с изотермической выдержкой при ней 2 ч [Патент РФ №2231505, кл. 7 С04В 33/00, С03С 11/00, 2003].

Недостатками способа являются невысокие прочностные показатели получаемых стеновых керамический изделий: предел прочности при сжатии не превышает 26,7 МПа, при изгибе не превышает 5,1 МПа вследствие угловатой формы пор, способствующей созданию центров напряжений при наличии механических нагрузок; коэффициент теплопроводности при этом 0,420 Вт/м·К и выше.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ изготовления стеновых керамических изделий, заключающийся в измельчении сухого глинистого сырья, добавлении крупки пеностекла с гидрофобизированной поверхностью, увлажнении, перемешивании, формовании изделий методом полусухого прессования, сушке изделий и последующем обжиге при температуре 900...950°С с изотермической выдержкой при ней 2 ч [Патент РФ №2266267, кл. 7 С04В 33/02, С03С 33/00, 2005].

Недостатками прототипа являются недостаточно высокие физико-механические показатели получаемых стеновых керамических изделий, ограничивающие их использование в сооружениях, к которым предъявляются повышенные требования по теплоизоляционным и прочностным характеристикам.

Предлагаемое решение направлено на расширение арсенала средств, направленных на получение стеновых керамических изделий, удовлетворяющих повышенным потребностям рынка по теплоизоляционным и прочностным характеристикам.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления стеновых керамических изделий, включающем измельчение глинистого компонента, введение крупки пеностекла размером 0,1-5,0 мм в количестве 5-70 мас.% с обработанной гидрофобизатором поверхностью до приобретения ею яйцевидной, либо сферической формы, перемешивание компонентов, увлажнение формовочной массы, формование заготовок полусухим методом прессования при давлении от 4 МПа, сушку и обжиг, согласно предлагаемому решению, обработку гидрофобизатором поверхности крупки производят после предварительного орошения ее 5-25%-ным водным раствором жидкого стекла, нанесения молотых до удельной поверхности 150-600 м²/кг оксидов кремния и алюминия, смешанных в массовом соотношении соответственно 1:(2,2-2,8) в количестве 1,0-15,0 мас.% по отношению к сухому веществу крупки и последующей сушки полученной крупки.

Количество гидрофобизатора составляет 0,01-5,0% от массы крупки пеностекла.

Сравнение заявляемого способа с прототипом позволило установить, что предлагаемое решение отличается тем, что процесс гидрофобизации поверхности крупки производят после предварительного орошения ее 5-25%-ным водным раствором жидкого стекла, нанесения молотых до удельной поверхности 150-600 м²/кг оксидов кремния и алюминия, смешанных в массовом соотношении соответственно 1:(2,2-2,8) в количестве 1,0-15,0 мас.% по сухому веществу крупки и последующей сушки полученной крупки, при этом количество гидрофобизатора составляет 0,01-5,0% от массы крупки пеностекла. Таким образом, предлагаемое решение обладает критерием "новизна".

При изучении других технических решений использование процесса гидрофобизации поверхности крупки пеностекла после предварительного орошения ее поверхности 5-25%-ным водным раствором жидкого стекла, нанесения молотых до удельной поверхности 150-600 м²/кг оксидов кремния и алюминия, смешанных в массовом соотношении соответственно 1:(2,2-2,8) в количестве 1,0-15,0 мас.% по сухому веществу крупки, и последующей сушки полученной крупки, согласно предложению авторов, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

Характеристика компонентов массы:

1. В качестве глинистых компонентов использовали:

а) тугоплавкую глину Лукошкинского месторождения (Белгородская обл., Старооскольский район) по ТУ 21-4434-84. Огнеупорность 1430...1570°С. Пластичность 9-12. Цвет после обжига красный.

б) легкоплавкую глину (суглинки) Тульской области. Огнеупорность 1200...1230°С. Пластичность 17. Цвет после обжига светло-красный.

2. Крупку пеностекла размером 0,1...5 мм и насыпной плотностью 350 кг/м³, полученную путем дробления пеностекла по ТУ 5914-003-02066339-98 "Материалы и изделия строительные теплоизоляционные", произведено в БГТУ им. В.Г.Шухова (г.Белгород).

3. Водный раствор силикатного клея (жидкое стекло) по ТУ 2385-001-54824507-2000 5-25%-ной концентрации. Использование данного связующего вещества существенно повышает прочность сцепления нанесенных порошковых оксидов кремния и алюминия с поверхностью крупки пеностекла после сушки.

4. Оксид кремния по ГОСТ 22552.0-77.

5. Оксид алюминия по ГОСТ 8136-85, марка ОАА-1.

Химический состав компонентов сырьевой массы приведен в табл.1.

6. В качестве гидрофобизатора поверхности крупки пеностекла использовали парафин нефтяной марки П-2 (ГОСТ 23683-89) в расплавленном состоянии. Толщина парафинового слоя на поверхности крупки пеностекла зависит от вязкости парафинового расплава. Вязкость парафинового расплава в большой степени зависит от температуры. Таким образом, меняя температуру парафинового расплава, можно регулировать толщину гидрофобной пленки на опудренных частицах пеностекла. Использование опудренных частиц крупки пеностекла дисперсными оксидами кремния и алюминия существенно облегчает процесс получения сферических и округлых частиц пеностекла после гидрофобизации из-за наблюдаемого эффекта сглаживания неровностей. Использование высушенной крупки пеностекла с нанесенными на ее поверхность оксидами и обладающую минимальными неровностями поверхности позволяет экономить гидрофобизатор и наносить его очень тонким слоем.

Таблица 1.Химический состав компонентов керамических масс
№ п/п	Компонент	Содержание окислов, мас.%
SiO2	Al2О3	TiO2	Fe2O3	CaO	MgO	K2O+Na2O	SO3	Ппп
1.	Глина лукошкинская	59,2	19,7	0,8	4,5	1,5	0,5	2,7	0,2	10,9
2.	Суглинок тульский	74,4	11,4	0,8	4,1	0,9	0,8	3,2	0,3	4,1
3.	Пеностекло	71,6	2,7	-	0,3	8,2	1,1	14,7	0,4	-

Процесс подготовки крупки пеностекла к гидрофобизации осуществляют следующим образом. Крупку дробленого пеностекла, прошедшую через сито с размером ячеек 5 мм и оставшуюся на сите с размером ячеек 0,1 мм, орошают в шнековом смесителе, например, 15%-м водным раствором жидкого стекла, избыток раствора удаляется. Увлажненные гранулы подают во второй шнековый смеситель, сюда же подают молотые до удельной поверхности 150-600 м²/кг оксид кремния и алюминия, смешанные в весовом соотношении, например, 1:2,5 в количестве, например, 10 мас.% по отношению к сухому веществу крупки до обработки ее поверхности жидким стеклом. В процессе перемешивания порошкообразный материал наносится на поверхность крупки, окатывается и поступает в ленточно-сетчатую сушилку, где просушиваются до минимальной влажности около 2%.

Обработка поверхности крупки пеностекла с нанесенными на ее поверхность молотыми оксидами кремния и алюминия гидрофобизатором заключается в засыпке ее в резервуар с расплавом, перемешивании данной массы в течение 5...10 минут и удалении избытка жидкой фазы сквозь сетчатую перегородку с размером ячеек чуть менее 0,1 мм. Количество гидрофобизатора может составлять 0,01-5,0% от массы обработанной жидким стеклом и содержащей оксиды кремния и алюминия крупки пеностекла. Это позволяет получать изделия с оптимальными физико-механическими характеристиками. После охлаждения полученный материал полностью готов к технологическому применению.

Анализируя результаты физико-механических испытаний серии образцов, можно сделать вывод, что наиболее предпочтительна форма крупки пеностекла после нанесения оксидов и гидрофобизатора - сферическая и яйцевидная, что достигается подбором вязкости обрабатывающего раствора и толщиной слоя нанесенных оксидов.

Способ изготовления стеновых керамических изделий осуществляют следующим образом.

Известным образом измельчают глинистое сырье до дисперсности частиц менее 1 мм, дозируют, добавляют гидрофобизированную крупку пеностекла с нанесенными на ее поверхность молотыми оксидами кремния и алюминия в соотношении по сухой массе, указанной в табл.2. Смесь сухих компонентов увлажняют водой до влажности 4...8%, согласно [Мороз И.И. Технология строительной керамики. Киев: "Вища школа", 1980, с.91], перемешивают до однородного состояния. Смесь формуют методом полусухого прессования под давлением 4...7 МПа, аналогично прототипу. Изделия высушивают до остаточной влажности 0,5...2%, аналогично прототипу, а затем обжигают при температуре 900...950°С, аналогично [Патент РФ №2266267, кл. 7 С04В 33/02, С03С 33/00, 2005; Мороз И.И. Технология строительной керамики. Киев: "Вища школа", 1980, с.121-128].

Пример. Лукошкинскую глину сушили, измельчали и просеяли через сито с размером отверстий 1 мм.

Крупку пеностекла, просеянную через сито с размером ячеек 5 мм и оставшегося на сите 0,1 мм, орошали в шнековом смесителе 15%-м водным раствором жидкого стекла, полученный материал помещали во второй шнековый смеситель, сюда же подавали молотые до удельной поверхности 300 м²/кг оксиды кремния и алюминия, смешанные в весовом соотношении 1:2,5 в количестве 10 мас.% по отношению к сухому веществу крупки до обработки ее поверхности жидким стеклом. Процесс перемешивания производили до получения скатанных гранул. Полученные гранулы помещали в ленточно-сетчатую сушилку и сушили до влажности 2 мас.%. Высушенные гранулы помещали в резервуар с расплавленным парафином, перемешивали в течение 5...10 минут, извлекали и охлаждали до температуры окружающей среды. Количество гидрофобизатора составляло 0,5% от массы обработанной жидким стеклом и содержащей оксиды кремния и алюминия крупки пеностекла.

Глину в количестве 5,5 кг (55%, см. табл.2, смесь 1) и указанную крупку (с нанесенными на ее поверхность оксидами кремния и алюминия и гидрофобизорованную) в количестве 4,5 кг (45%) смешали в лабораторном шнековом смесителе и одновременно при смешивании подавали воду в количестве 0,4 кг. Полученную массу формовали методом полусухого прессования на гидравлическом прессе под давлением 4 МПа. Полученная прочность сырца позволяет производить перекладку и сушку образцов без каких-либо ограничений. Сформованные образцы в виде плиток с размером 192×142×9 мм и цилиндров с диаметром и высотой 50 мм (последние образцы предназначались для определения предела прочности при сжатии и при изгибе), высушивали до остаточной влажности 2%, а затем обжигали при максимальной температуре 950°С с выдержкой 2 часа, т.е. моделировались производственные условия получения строительного красного кирпича [Мороз И.И. Технология строительной керамики. Киев: "Вища школа", 1980, с.89-128]. После охлаждения образцы материала испытывали на прочность и теплопроводность. Результаты испытаний приведены в табл.3 (смесь 1).

Соотношения сырьевых компонентов и температур обжига керамических масс в примерах 1 и 2 (табл.2, смеси 1-2) выбраны из экспериментальной серии образцов как наиболее рациональные по микроструктуре и физико-механическим свойствам получаемых стеновых керамических изделий.

Аналогичным образом приготавливали все остальные смеси по заявляемому способу получения керамической массы и, соответственно, на ее основе образцы стеновых материалов и облицовочной плитки, в том числе и с запредельными значениями удельной поверхности оксидов кремния и алюминия (составы 6-7), а также известные составы массы 8 и 9 (прототип). Результаты свойств приведены в табл.3. Эксперименты проводились в лабораторных условиях БГТУ им. В.Г.Шухова.

Анализ данных табл.3 результатов испытаний свойств образцов стеновой и облицовочной керамики, изготовленных по заявляемому способу, показывает следующее.

1. Все смеси 1-5 отвечают требованиям ТУ 530-95 "Кирпич и камни керамические".

2. Введение в состав керамической массы, опудренной оксидами кремния и алюминия и гидрофобизированной крупки пеностекла, позволяет получать прочные высококачественные керамические материалы.

3. Уменьшение содержания опудренной оксидами кремния и алюминия и гидрофобизированной крупки пеностекла менее 5,0 мас.% и уменьшение соотношения между оксидами кремния и алюминия до 1:2,2 приводит к возникновению избытка оксида кремния в зоне контакта пеностекла с глинистым компонентом. При обжиге идет интенсивная кристаллизация α-кристобалита, что приводит к разрыхлению структуры черепка, поскольку полиморфные превращения сопровождаются значительными изменениями плотности и объема. Кристаллическая решетка кристобалита имеет крупные полости и обладает способностью образовывать производные структуры.

Полученные образцы керамических стеновых изделий отличаются наличием усадочных трещин и, как следствие, повышенной теплопроводностью по сравнению с прототипом (смесь 3). Дальнейшее уменьшение количества опудренной оксидами кремния и алюминия и гидрофобизированной крупки пеностекла и уменьшение соотношения между оксидами алюминия и кремния нецелесообразно, т.к. увеличивается содержание свободного оксида кремния в зоне контакта пеностекла с глинистым компонентом, что приведет к возникновению зон напряжений при полиморфных превращениях оксида кремния в процессе обжига с изменением объема, взамен образования кристаллов первичного муллита формируются менее прочные кристаллы анортита и α-тридимита, что приводит к дальнейшему уменьшению прочностных и теплоизоляционных характеристик получаемых изделий.

Уменьшение концентрации водного раствора жидкого стекла для обработки крупки пеностекла перед нанесением на ее поверхность оксидов кремния и алюминия менее 5% нежелательно, т.к. уменьшается прочность сцепления наносимых оксидов с крупкой и они ссыпаются с гранулы в процессе сушки и нанесения гидрофобной пленки.

4. Увеличение содержания опудренной оксидами кремния и алюминия и гидрофобизированной крупки пеностекла более 70 мас.% и увеличение соотношения между оксидами алюминия и кремния до 1:2,8 приводит к возникновению избытка оксида алюминия в зоне контакта пеностекла с глинистым компонентом. Избыток оксидов алюминия замедляет процесс армирования стенок пор, снижает прочностные характеристики за счет увеличения рыхлости структурного скелета изделия (смесь 4), дальнейшее же увеличение количества опудренной оксидами кремния и алюминия и гидрофобизированной крупки пеностекла и увеличение соотношения между оксидами алюминия и кремния свыше 2,8 в массе нецелесообразно, т.к. происходит падение прочности получаемых керамических материалов за счет малой доли глинистого компонента в шихте, аморфизации стенок пор и появления выплавов.

Увеличение концентрации водного раствора жидкого стекла для обработки крупки пеностекла перед нанесением на ее поверхность оксидов кремния и алюминия более 25% нежелательно, т.к. перемешивание крупки пеностекла в смесителе с высоковязкой средой не позволяет получить гранулы заданного размера и усложняет нанесение оксидов в необходимом количестве.

5. Использование оксидов кремния и алюминия с удельной поверхностью менее 150 м²/кг для нанесения на поверхность крупки пеностекла из-за недостаточной реакционной способности грубомолотых оксидов не формируется достаточно прочная кристаллическая структура керамической матрицы изделий (смесь 6).

6. Использование оксидов кремния и алюминия с удельной поверхностью более 600 м²/кг для нанесения на поверхность крупки пеностекла также нецелесообразно, т.к. для смачивания тонкодисперсных порошков нанесенных оксидов требуется увеличенное количество стеклофазы, что препятствует протеканию диффузионных процессов, а также процессам смачивания керамической матрицы и, следовательно, замедляются процессы кристаллообразования в стенках образующихся пор.

В зависимости от типа используемых глин и температур обжига заявляемый способ изготовления стеновых керамических изделий имеет следующие преимущества в сравнении с прототипом:

1) теплоизоляционные свойства улучшаются на 7...18%;

2) предел прочности при сжатии увеличивается на 12...21%, при изгибе - на 15...44%;

3) полученный в результате обжига керамический материал имеет однородную замкнуто-поризованную структуру с армированными стенками пор кристаллами низкой теплопроводности.

Таким образом, введение в состав формовочной массы для изготовления стеновых керамических изделий гидрофобизированной крупки пеностекла с предварительно нанесенными на ее поверхность оксидами кремния и алюминия, смешанных между собой в массовом соотношении 1:(2,2-2,8) в количестве 1,0...15,0 мас.% по отношению к сухому веществу крупки, позволяет при пониженном расходе гидрофобизатора не только получить сырьевые смеси с сохранением всех положительных качеств, присущих сырьевым смесям, полученных по прототипу [Патент РФ №2266267, кл. 7 С04В 33/02, С03С 33/00, 2005] - пониженная влажность и давление прессования; отсутствие усадочных трещин при сушке и обжиге; наличие равномерно распределенных, преимущественно сферических и яйцеобразных, остеклованных замкнутых пор по всему объему керамического изделия и др., но и существенно повысить теплоизоляционные и прочностные показатели получаемых стеновых керамических изделий.

Авторами установлено, что наличие дисперсных оксидов кремния и алюминия в массовом соотношении 1:(2,2-2,8) на границе раздела стеклофазы и керамики позволяет создать благоприятные условия и существенно интенсифицировать процессы кристаллизации получаемых керамических структур, способствующих упрочнению стенок пор и препятствующих прохождению тепловых потоков, чем существенно повышают теплоизоляционные свойства получаемых керамических изделий.

Таблица 2.Состав керамической массы
№ смеси	Компоненты, мас.%	Количество нанесенных на поверхность крупки оксидов кремния и алюминия (молотых до удельной поверхности, м2/кг) по отношению к сухому веществу крупки, мас.%	Количество гидрофобизатора (парафина) от массы обработанной жидким стеклом и содержащей оксиды кремния и алюминия крупки пеностекла, %	Соотношение SiO2/Al2O3 по массе	Концентрация водного раствора жидкого стекла, %
Глина Лукошкинская	Суглинок Тульский	Крупка пеностекла с размером частиц 0,1-5,0 мм с нанесенными на ее поверхность оксидами кремния и алюминия и гидрофобизированная
менее 150 м2/кг	150-600 м2/кг	более 600 м2/кг
1	55	-	45	-	10	-	0,5	1:2,5	15
2	-	55	45	-	10	-	0,5	1:2,5	15
3	95	-	5	-	1	-	0,01	1:2,2	5
4	30	-	70	-	15	-	5,0	1:2,8	25
5	55	-	45	-	10	-	6,0	1:2,5	15
6	55	-	45	10	-	-	0,6	1:2,5	15
7	55	-	45	-	-	10	0,6	1:2,5	15
8 (прототип)	60	-	40	-	-	-	2	-	-
9 (прототип)	-	60	40	-	-	-	2	-	-

Таблица 3.Свойства стенового керамического материала
№ смеси	Температура обжига, °С	Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К	Предел прочности, МПа	Примечания
при сжатии	при изгибе
1	950	0,202	32,7	15,9
2	900	0,261	28,4	9,2
3	950	0,862	15,1	6,6	Усадка при сушке и обжиге 18,9 об.%, есть микротрещины ребер и граней.
4	950	0,257	9,8	7,1	Наблюдаются незначительные деформации и оплавленность граней.
5	950	0,314	27,0	7,6
6	950	0,310	27,3	9,1	В керамической матрице практически отсутствует кристаллическая фаза.
7	950	0,305	27,4	8,3	В керамической матрице практически отсутствует кристаллическая фаза.
8 (прототип)	950	0,310	27,2	9,4
9 (прототип)	900	0,312	26,2	7,8

1. Способ изготовления стеновых керамических изделий, включающий измельчение глинистого компонента в количестве 30-95 мас.%, введение крупки пеностекла размером 0,1-5,0 мм в количестве 5-70 мас.% с обработанной гидрофобизатором поверхностью до приобретения ею яйцевидной либо сферической формы, перемешивание компонентов, увлажнение формовочной массы, формование заготовок полусухим методом прессования при давлении от 4 МПа, сушку и обжиг, отличающийся тем, что обработку гидрофобизатором поверхности крупки производят после предварительного орошения ее 5-25%-ным водным раствором жидкого стекла, нанесения молотых до удельной поверхности 150-600 м²/кг оксидов кремния и алюминия, смешанных в массовом соотношении соответственно 1:(2,2-2,8) в количестве 1,0-15,0 мас.% по отношению к сухому веществу крупки, и последующей сушки полученной крупки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество гидрофобизатора составляет 0,01-5,0% от массы обработанной жидким стеклом и содержащей оксиды кремния и алюминия крупки пеностекла.