КЕРАМИЧЕСКАЯ МАССА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И ОБЛИЦОВОЧНЫХ ПЛИТОК
CERAMIC MIXTURE FOR MAKING STRUCTURAL ARTICLES AND FACING TILES

Изобретение относится к области технологии силикатов и, в частности, к составам керамических масс на основе алюмосиликатной керамики, используемым для изготовления строительных изделий и облицовочных плиток.
Известна керамическая масса, содержащая, мас.%: каолин - 3,0; монтмоиллонит - 16; волластонит - 22; пирофиллит - 20; кварц - 21; слюда - 3,0; кальцит - 5,0; прочее - 10 (Гальперина М.К., Тарантул Н.П. Керамические плитки из сырья Казахстана.// Стекло и керамика. - 1991. - 12. С.22-23.).
Недостатком этой массы является то, что в ее составе содержатся дорогостоящие дефицитные материалы, кроме того, плитки, изготовленные из этой массы, характеризуются небольшой механической прочностью и повышенной огневой усадкой, большой деформацией и имеют красно-кирпичный цвет.
Известна керамическая масса, содержащая в своем составе компоненты в следующем соотношении, мас.%: глина евсинская - 26-59, глина обская - 12-25, каолин - 12-18, полевой шпат - 7-12, череп фарфоровый 3-7, топазовая руда - 7-15. Изделия изготавливают шликерным литьем в гибсовых формах с окончательным обжигом полуфабриката при 1150-1200°C. Предел прочности на изгиб - 50-54 МПа (пат. RU №2161597, кл. С04В 33/24 от 10.01.2001).
Однако данная керамическая масса не обладает достаточной прочностью.
Наиболее близким техническим решением является керамическая масса, содержащая глинистый компонент, плиточный бой и волластонит. Состав керамической массы для изготовления облицовочной плитки, мас.%
Глина
25-60
Волластонит
17-30
Стеклобой
4-10
Зола ТЭЦ
15-25
Плиточный бой
4-10
(см. патент SU №1726438 А1 кл. С04В 33/00 опубл. 15.04.1992 г.), принятый нами за прототип.
К недостаткам прототипа относятся:
а) низкая механическая прочность - 24-29 МПа,
б) высокое водопоглощение, что неприемлемо для керамических изделий,
в) довольно низкая термостойкость (теплосмена).
Данная керамическая масса имеет плохой декоративный вид керамического материала, что лимитирует ее применение для изготовления неглазурированных облицовочных плиток и других изделий
Техническим результатом изобретения является расширение сырьевой базы, повышение механической прочности алюмосиликатных керамических плиток, уменьшение их линейной усадки, увеличение белизны и снижение себестоимости изделий.
Этот технический результат достигается керамической массой для изготовления строительных изделий и облицовочных плиток, содержащей глинистое сырье, волластонит и бой керамической плитки, причем в качестве глинистого сырья она содержит тугоплавкую и легкоплавкую глину и дополнительно кварц-серицитовый фарфоровый камень при следующем соотношении компонентов, мас.%:
глина тугоплавкая
20,0-40,0
глина легкоплавкая
1,2-4,2
волластонит
16,0-21,0
бой плитки
1,0-2,0
кварц-серицитовый
фарфоровый камень
остальное
Предлагаемое изобретение позволяет получать строительные керамические изделия, в том числе и облицовочные плитки, с характеристиками, которые соответствуют всем требованиям нормативной документации. Критерием выбора оптимальных составов керамических масс являлись не только высокие технико-эксплуатационные показатели, но и низкая стоимость местного нетрадиционного доступного сырья, декоративность и экологичность.
При этом кварц-серицитовый фарфоровый камень, содержащий 11-15 мас.% серицита, представляет собой природную неметаллическую горную породу Учкуртского месторождения (Кыргызстан), которая включает мелкодисперсный кварц, имеющий зерна округлой формы, в виде сросшихся частиц мелкодисперсного кварца с серицитом, а также небольшое количество полевошпатовых минералов в виде альбита и анортита (не более 10%). При минимальном (менее 0,2%) содержании красящих оксидов железа и титана огневая проба кварц-серицитового фарфорового камня характеризуется высокой белизной (до 90%) и остеклованной молочно-белой поверхностью, что обусловливает при использовании этого материала увеличение белизны керамических изделий. В состав кварц-серицитового фарфорового камня входят все необходимые оксиды для образования кристаллического каркаса керамического материала и алюмосиликатного расплава, из которого при обжиге выкристаллизовываются кристаллы муллита, равномерно распределяющиеся по матрице стеклофазы. Кристаллы таблитчатые моноклинной системы. Спайность по базису весьма совершенная. Мусковит легко расщепляется на тончайшие листочки, что обусловлено его кристаллической структурой, сложенной 3-слойными пакетами из 2 листов кремне - и алюмокислородных тетраэдров, соединенных через слой, составленный из октаэдров, в центре которых расположены ионы А1, окруженные 4 ионами кислорода и 2 группами ОН; 1/3 октаэдров не заполнена ионами А1. Пакеты соединены между собой ионами калия. Такая структура обеспечивает "армирование" иглами муллита стекловидной фазы и способствует увеличению механической прочности и термостойкости керамического материала. При содержании фарфорового камня в керамической массе менее 50% фарфор в указанном интервале температур не спекается, его водопоглощение превышает 0,2%. При содержании фарфорового камня в массе более 66%, керамическая масса обладает низкой пластичностью, высокой чувствительностью к сушке, то есть характеризуется неудовлетворительными технологическими параметрами. Фарфоровый камень существенно отличается от традиционного каолина минеральным составом, содержит большее количество оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, интенсифицирующих процесс спекания.
3
Волластонит месторождения Кара-Корум (Киргызстан) - это силикат кальция CaSiO, с минимальным содержанием оксидов железа, титана (- 0,3%) и щелочных металлов (- 0,58%), имеющих табличатые или призматические кристаллы, размер зерен которых составляет 50 - 60 - 120 мкм. Для волластонита месторождения Кара-Корум (Киргызстан) характерна игольчатая структура кристаллов, при раскалывании которых образуются зерна игольчатой формы. Игольчатая форма зерна волластонита определяет основное направление его использования в качестве микроармирующего наполнителя основной массы. Волластонит является единственным чисто белым наполнителем, имеющим игольчатую форму кристаллов, с отношением длины волокна к его диаметру в зависимости от марки (L/D) от 3:1 до 20:1. Использование волластонита в качестве исходного компонента позволяет резко улучшить свойства керамических плиток: уменьшить усадку вплоть до нулевых значений, в 1,5 раза уменьшить водопоглощение, значительно увеличить термостойкость, в 2,5 раза увеличить предел прочности при изгибе, повысить ударопробиваемость, в 2 раза увеличить морозостойкость, значительно улучшить розлив глазури и увеличить прочность сцепления глазурного покрытия с основным материалом. Кроме того, введение волластонита в керамическую массу позволяет снизить температуру обжига изделий (экономия на топливе) и обеспечивает уменьшение чувствительности к термовлажностному расширению.
Волластонит, входящий в состав керамической массы, способствует образованию стекловидной фазы с повышенной реакционной способностью, ускоряет процесс структурообразования керамического материала, повышает в составе стеклофазы содержание малоподвижных ионов кальция, что обусловливает повышение электрофизических и механических (гвоздепробиваемость) свойств керамического материала.
Температура обжига фарфора, в состав которого входит кварц-серицитовый ингредиент (с содержанием серицита 11 - 15%) с добавкой волластонита, находится в интервале 1100-1150°С. Одноразмерность плиток может быть достигнута при введении до 20% волластонита в керамическую массу. При этом усадка снижается в 2 раза, резко уменьшается их деформируемость и повышается механическая прочность. Кроме того, введение волластонита в керамическую массу позволяет снизить температуру обжига изделий (экономия на топливе) и обеспечивает уменьшение чувствительности к термовлажностному расширению.
Использование данного компонента в составах масс однократного обжига является весьма перспективным, поскольку позволяет получить керамический материал высокой прочности, обладающий пониженной усадкой, что позволяет повысить сортность продукции на стадии калибровки.
Компоненты дозируют в требуемых количествах в соответствии с рецептурой, приведенной в табл.1.
Приготовление керамической массы осуществляли шликерным способом в шаровой мельнице. Помол осуществляли до остатка на сите 0063 не более 5,5%. В шликер в качестве электролита вводился триполифосфат натрия. Приготовление пресс-порошка осуществлялось в лабораторном сушильном шкафу СНОЛ - 3,5.3,5.3,5/3М при температуре 150-200°С. Прессование производилось на лабораторном гидравлическом прессе, после чего осуществлялось глазурование и ангобирование. Обжиг производился при температуре 1100°С.
Пример 1
Исходные компоненты, содержание, % по массе:
Глина тугоплавкая - 22, Глина легкоплавкая - 1, Фарфоровый камень Учкуртского месторождения (Кыргызстан) - 58, Волластонит месторождения Кара-Корум (Кыргызстан) - 18, Бой плитки дробленый - 1,0.
Приготовление массы осуществлялось шликерным способом, измельчение в шаровой мельнице, залив в мельницу воду и загрузив в нееуралитовые (глиноземистые) шары при соотношении шары: измельчаемый материал; вода, равном 1:1:1,2. Помол проводят в течение 3-5 часов до дисперсности, характеризуемой остатком на сите 10000 отв/см. 2-1%. В шликер в качестве электролита вводился триполифосфат натрия. Приготовление пресс-порошка осуществлялось в лабораторном сушильном шкафу СНОЛ - 3,5.М при температуре 150-250°С. Прессование производилось на лабораторном гидравлическом прессе, после чего осуществлялось глазурование и ангобирование. Обжиг производился при температуре 1100-1150°С.
Таблица 1
Шитховые составы, мас.%
Компоненты
1
3
4
5
6
Глина тугоплавкая
40
25
24
22
20
Глина легкоплавкая
1,2
1
1
1
4,2
Фарфоровый камень
40,8
53
55
58
56,8
Волластонит
16
20
19
18
18
Бой керамической плитки, измельченный
2,0
1,0
1,0
1,0
1,0
Физико-механические показатели готовых плиток приведены в табл.2
Таблица 2
Физико-механические показатели готовых плиток
Наименование характеристик
Показатели характеристик обожженного материала
1
3
4
5
6
7
Усадка, %
4,52
4,06
4,0
4,22
4,27
4,78
Механическая прочность, σ изгиб, МПа
76,18
80,31
89,14
91,28
88,59
88,48
Водопоглощение, %
2,84
2,87
2,64
2,60
2,78
2,55
Влажностное расширение
0,014
0,018
0,015
0,026
0.026
0,014
Теплосмены, цикл.
23
26
27
29
27
24
Термостойкость, <sup>0</sup>С
185
185
190
200
200
190
На основании анализа результатов, приведенных в табл.2, можно сделать вывод о том, что к оптимальным следует отнести состав №5, поскольку он удовлетворяет всем требованиям нормативной документации и характеризуется наилучшим соотношением представленных показателей. Из приведенных примеров (см. табл.2) видно, что керамические изделия, получаемые из керамической массы предложенного состава, по своим физико-технологическим характеристикам превосходят аналогичные изделия, полученные из керамической массы, описанной в качестве прототипа, а по некоторым свойствам, таким как электрическая и механическая прочность, водопоглощение, а также термостойкость, даже превосходят прототип. По своим свойствам полученный керамический материал отвечает основным требованиям, предъявляемым к керамогранитным облицовочным изделиям, и обеспечивает успешную эксплуатацию в различных условиях.
В то же время введение в состав керамической массы принципиально нового сырья позволяет упростить технологию приготовления керамической массы и вовлечь в производство строительной керамики новый вид сырья, решив проблемы, связанные с сырьевой базой.
Расширение сырьевой базы реализуется при изготовлении керамических изделий за счет использования местного нового вида нетрадиционного сырья (фарфорого камня и волластонита), значительно снижается себестоимость керамической массы не только за счет использования дешевого сырья, но и за счет применения технологии однократного обжига, интерес к которой в связи с ростом цен на энергоносители постоянно растет. Введение в массу необогащенного фарфорового камня позволяет снизить себестоимость продукции, так как данный компонент существенно отличается от традиционного каолина минеральным составом, содержит большее количество оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, интенсифицирующих процесс спекания (табл.2). Кроме того, местный фарфоровый камень и волластонит обладает достаточно низкой стоимостью, а месторождения этих минералов достаточным запасом.
В заключение отметим, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Разработан состав керамической массы для строительной керамики различного назначения однократного обжига на основе нетрадиционного нового вида сырья, фарфорового камня, обладающий высокими технико-эксплуатационными показателями. Заявляемая сырьевая смесь для изготовления керамических изделий отвечает также критерию промышленной применимости.
1. Заявляемая сырьевая смесь является промышленно применимой, так как она может быть использована для производства строительных изделий и облицовочных плиток.
2. Примерами, приведенными в описании, подтверждена возможность получения заявляемой сырьевой смеси для изготовления керамических изделий.
3. Заявляемая сырьевая смесь обеспечивает достижение лучшего технического результата по сравнению с прототипом, повышение и механической прочности, и технико-эксплуатационных свойств керамического материала для строительного назначения, а также снижение линейной усадки изделий, водопоглощения, повышение их белизны и экономию энергии.