Влияние добавки оксида алюминия на свойства керамики на основе глины Хлыстовского месторождения

УДК 691

Р. И. Саяхов, А. М. Салахов

ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА СВОЙСТВА КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ГЛИНЫ ХЛЫСТОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Ключевые слова: глина, оксид алюминия, оксид кальция, модифицирование, усадка, композиционный материал, диопсид,

энстатит.

Исследован минеральный состав образцов с добавкой оксида кальция. Изучено влияние добавки оксида алюминия на физические свойства глины Хлыстовского месторождения при температуре обжига 950-1150 °С. Получены керамические образцы, обладающие более низкими показателями огневой усадки, по сравнению с образцами из чистой глины.

Keywords: clay, alumina, calcium dioxide, modifying, shrinkage, composition material, diopside, enstatite.

^e mineral composition of the previously obtained samples with the addition of calcium oxide was studied. The influence of additives of aluminum oxide on the physical properties of clay deposits Khlystyian at a burning temperature 950-1150 ° C was researched. Products have much lower indices of firing shrinkage in comparison with samples of pure clay.

Введение

Хлыстовское месторождение - это крупное месторождение кирпичных глин и суглинков, расположенное в Елабужском районе Республики Татарстан. В настоящее время, эта глина используется лишь для производства полнотелого керамического кирпича. Ранее было исследовано влияние оксида кальция на керамические образцы из этой глины [1]. Полученные образцы обладали повышенными прочностными характеристиками, а так же имели нестандартный зелёный окрас.

Целью данной работы является изучение минерального состава образцов с добавкой оксида кальция, а так же исследование влияния добавки AI2O3 на свойства конечного керамического продукта, для расширения области применения глины этого месторождения.

Экспериментальная часть

Исследование минерального состава проводилось в Казанском Федеральном университете на кафедре физики методом рентгеновской дифрактометрии на порошковом дифрактометре D2 Phaser (Брукер). Анализ выполнен в программе Difrac.eva по пиковым значениям межплоскостных отражений.

Для дальнейшего изучения влияния модификаторов, в качестве добавки был взят оксид алюминия, т.к. оксид алюминия является как одним из самых распространённых соединений на планете, так и одной из главных составляющих промышленных отходов. Возможность вторичного использования оксида алюминия имеет важное промышленное и экологическое значение. Было приготовлено три серии образцов: 2 А (содержащей 2% AI2O3), 5А (5% AI2O3) и 10А (10% AI2O3). Условия и метод формования, температуры и время обжига аналогичны образцам с добавкой оксида кальция: пробы глины тщательно измельчались и просеивались через сито с диаметром отверстий 0,75 мм; из просеянной массы формировались навески с

добавлением определенного количества

модификатора или без него, в зависимости от исследуемого состава; образцы формовались методом компрессионного формования из полусухих масс при давлении 80 МПа; полученные образцы обжигались при температуре Тобж 950-1150°С в муфельной печи Ь01Р ЬБ-7/13, время обжига 4 часа.

Результаты и их обсуждение

Для изучения минерального состава были выбраны два образца серии Р8, содержащие 5% добавки оксида кальция и обжигавшиеся при температурах 1100° и 1130°. Так, с помощью рентгеновской дифрактометрии в составе образцов серии Р8 были обнаружены диопсид и энстатит. Минеральный состав исследованных образцов представлен на рис. 1.

Диопсид - минерал группы пироксенов подкласса цепочечных силикатов, крайний член изоморфного ряда диопсид-геденбергит. Химический состав СаМдБ120б. Цвет от белого до зелёного различных оттенков, чаще тёмно-зелёный, серо-зелёный, коричнево-зелёный. Спайность совершенная в двух направлениях. Сингония моноклинная.

Энстатит - минерал из группы ромбических пироксенов. По химическому составу представляет собой магнезиальный метасиликат. Образует кристаллы буро-зелёного, зелёного, серого и желтоватого цветов. [2].

Таким образом, можно сделать вывод, что при термическом обжиге оксид кальция вступает в твердофазные реакции с образованием цепочечных силикатов кальция и магния из группы энстатита. Именно эти минералы придают образцам зелёную окраску и определяют их основные физические свойства.

Так же была исследована микроструктура полученных образцов. Методом электронной микроскопии был исследован образец Р8-УП, содержащий в своём составе 5% оксида кальция.

Результаты микроскопии хорошо иллюстрируют полиминеральность структуры образца. Можно наблюдать наличие нескольких фаз, которые различаются между собой как по цвету, так и по форме.

диопсид 7,6%

Рис. 1 - Минеральный состав образцов серии Р8, обожженных при Т=1100 °С и при Т=1130 °С соответственно

Все значения параметров обожжённых образцов с добавкой алюминия приведены в таблице 1 и, в виде графиков, на рисунке 2. По этим данным можно отметить, что до температуры обжига 1050°С плотность всех образцов с добавкой оксида алюминия сохраняется постоянной. При температурах выше этой отметки прослеживается зависимость, при которой с ростом содержания оксида алюминия в образце плотность снижается и принимает примерно постоянное значение. Несмотря на постоянство плотности в интервале температур до 1050 °С, водопоглощение растёт с увеличением концентрации оксида алюминия. Можно предположить, что объём пор увеличивается за счёт отрицательной усадки с ростом содержания оксида алюминия, что можно видеть на графике огневой усадки образцов.

Необычные проявления как раз можно наблюдать на графике огневой линейной усадки. При концентрации оксида алюминия равной 10% для всех образцов в интервале температур 900-1050 °С наблюдается отрицательная усадка в 0,2-0,4%. При температуре 1100 °С усадка появляется, но она примерно в полтора раза ниже, чем у соответствующих образцов из чистой глины. При

температуре 1150°С усадка практически не меняется, оставаясь примерно в два раза ниже, чем у образцов из чистой глины.

Таблица 1 - Физические свойства керамических изделий из глины Хлыстовского месторождения с добавкой А!2Оз

А!2ОЗ, % масс. Т, °С Усадка, % Плот ность г/см3 Водопоглощение, %

2А-1 950 0 1,95 12,20

2А -II 1000 0 1,95 12,10

2А -III 2 1050 -0,20 1,95 11,40

2А -IV 1100 3,00 2,12 6,40

2А -V 1150 2,20 2,08 0,70

5АЛ 950 -0,40 1,95 13,00

5А -II 5 1000 -0,40 1,95 12,60

5А -III 1050 -0,40 1,95 11,90

5А -IV 1100 1,60 2,09 7,60

5А -V 1150 2,59 2,10 0,67

10 АЛ 950 -0,40 1,95 13,40

10 А -II 1000 -0,40 1,95 13,00

10 А -III 10 1050 -0,20 1,95 13,30

10 А -IV 1100 0,99 2,03 10,20

10 А -V 1150 2,78 2,10 1,20

Было принято решение подробнее исследовать явление снижения огневой усадки. Зависимость цвета образцов с добавкой оксида алюминия от температуры обжига абсолютно такая же, как и для образцов из чистой глины. Кроме того, частички А12Оз, равномерно распределённые по объёму, не претерпевают каких либо изменений в цвете и форме, вне зависимости от температуры обжига.

Можно сделать предположение, что А12Оз не вступает в химическое взаимодействие с глиной, а лишь переходит в а-модификацию - корунд. Тогда полученные керамические образцы представляют собой типичные дисперсно-упрочнённые композиционные материалы. Частицы корунда выступают в качестве нульмерного трёхосного армирующего наполнителя. Образуя с матрицей

прочные физические связи, частицы корунда препятствуют сжатию образцов, снижая, тем самым, огневую усадку.

Выводы

Дальнейшие исследования композиции глины Хлыстовского месторождения с оксидом кальция позволили выявить новые минеральные и структурные особенности. В минеральном составе были обнаружены представители цепочечных силикатов группы энстатита, ответственные за придание образцам зелёного цвета. Эти данные позволяют лучше понять принципы структурообразования и характер протекающих при обжиге твердофазных реакций.

Исследование влияния добавки оксида алюминия так же дало необычные результаты. Образующиеся композиционные материалы обладают гораздо более низкими показателями огневой усадки, чем образцы из чистой глины. Для получения изделий с заданными размерами полную усадку учитывают при формовании, соответственно увеличивая размеры сырца. Снижение огневой усадки при сохранении всех прочих свойств имеет большое промышленное значение, т.к. позволяет увеличить экономию сырья.

Литература

1. Салахов А.М., Саяхов Р.И. Влияние добавки оксида кальция на свойства керамики на основе глины Хлыстовского месторождения / Вестник Казанского технологического университета. 2013, Т.16, С.54-56.

2. Брокгауз Ф.А., Ефрон И.А Энциклопедический словарь. СПб., 1904, т.80, с.854-855.

3. Фасеева Г.Р., Салахов А.М., Нафиков Р.М., Хацринов А.И. Влияние карбонатсодержащих пород на свойства керамических материалов / Вестник Казанского технологического университета. 2010, Т.8, с.230-235

4. Химическая технология керамики: Учеб. пособие для вузов / Под ред. проф. И.Я. Гузмана. - М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. - 496 с., ил.

Рис. 2 - Зависимость плотности и огневой усадки образцов от температуры обжига

© Р. И. Саяхов - магистр кафедры ТНВиМ КНИТУ, ruslan1414_1992@mail.ru; А. М. Салахов - кандидат технических наук КФУ, salakhov8432@mail.ru.

© R. Sayakhov - magister of TNSM department of KNRTU, e-mail: ruslan1414_1992@mail.ru; A. Salakhov - candidate of technical sciences of Kazan Federal University, salakhov8432@mail.ru.