Изучение характера связей керамических материалов методом кондуктометрии

А. М. Салахов, А. И. Хацринов, Р. М. Нафиков

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРА СВЯЗЕЙ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОНДУКТОМЕТРИИ

Проведена работа по изучению характера связей керамических материалов методом кондуктометрии. Глины и их композиции, обожженные при различных температурах, демонстрируют различные значения удельной электропроводимости (УЭП).

Применение керамических строительных материалов во всем мире имеет устойчивую тенденцию к росту.

Керамические кирпичи и камни, керамические облицовочные материалы, черепица обладают неограниченными архитектурными возможностями. Номенклатура строительных керамических изделий значительно расширилась. При всем разнообразии керамических материалов их объединяют общие свойства. Это прочность и твердость, так же способность выдерживать высокие температуры, не деформируясь (огнеупорность). Устойчивость к агрессивным воздействиям внешней среды, даже к сегодняшним «кислотным дождям». И долговечность, апробированная тысячелетней эксплуатацией. Эти общие свойства керамических изделий связаны с сырьевыми материалами, из которых они изготовлены, и с методами их производства. Изучение природы керамических материалов показало, что они представляют собой смесь кристаллических, рентгеноаморфных, в т. ч. и стекловидных фаз, а так же поровой фазы, весьма различных по составу, количественному соотношению и взаимному расположению [1].

С целью улучшения их потребительских свойств и снижения энергоемкости и материалоемкости их производство непрерывно совершенствуется.

Однако не секрет, что производство керамических изделий сопровождается значительными энергозатратами, обусловленными высокими температурами обжига сырья. Так по данным статистики в среднем на сушку и обжиг керамического кирпича энергии расходуется около 2,5 МДж/кг. Оптимизация же процессов термообработки позволяет снизить эту величину до 1 МДж/кг. В связи с этим оптимизация режимов термообработки для получения керамического материала с заданными характеристиками является актуальной задачей.

Одним из критериев свидетельствующих о завершении обжиговых процессов («керамизации») является установление стабильных связей. Стабильность связей может быть охарактеризована переходом ионных связей в ковалентные, при которой степень ионности, ковалентности остается постоянной в значимом интервале температур).

Ковалентная связь возникает в результате обобщения электронных плотностей взаимодействующих атомов одного сорта. В молекулах, состоящих из атомов разного сорта электронное облако несимметрично, и смещено к одному из ядер атомов. Такая связь имеет постоянный дипольный момент и является полярной. В предельном случае полярности возникает ионная связь - полное разделение электронных плотностей как результат взаимодействия атомов с разными зарядами.

В данной работе сделана попытка выявления методом кондуктометрии закономерностей поведения глинистого сырья различных месторождений в широком интервале температур, с целью выбора оптимальных режимов термообработки.

Исследовалось изменения удельной электропроводимости их водных вытяжек. Важным свойством воды является ее высокая диэлектрическая постоянная, то есть величина, отражающая силу притяжения противоположных электрических зарядов в веществе. В сочетании со стремлением молекул Н2О присоединяться к ионам, она обеспечивает необычайную способность воды к растворению ионных веществ. Связь между ионами в растворе ослабевает вследствие окружения их молекулами воды, ориентированными к ним противоположно заряженными сторонами. Вода способна растворять и удерживать в таком состоянии ионные соединения [2].

Таким образом, о степени ионности или ковалентности связей в различных керамических материалах можно судить по изменению электропроводности их водных вытяжек.

Нами была поставлена задача установления зависимости удельной электропроводимости водных вытяжек от температуры обжига различных глин и их композиций.

Известно, что характер связей может быть установлен различными методами, например степень ионности или ковалентности связи могут быть приближенно найдены по ИК - спектрам [3]. Анализ литературных данных показал, что методом кондуктометрии были сделаны попытки выявления характера связей строительных материалов, в частности в процессах твердения бетонов[4], однако применение данного метода в технологии керамики, по мнению авторов статьи, освещены не достаточно широко.

На предмет установления характера связи в данной работе были исследованы различные по характеру и составу глины: глинистый мергель Максимковского

месторождения, красножгущиеся глины Шеланговского и Саранского месторождений, а также композиция красножгущейся глины Шеланговского месторождения модифицированной мергелем.

Для сравнения в качестве модельных образцов были взяты ЭЮ2 и ЫаО!, как вещества с преимущественным преобладанием доли ковалентной (ЭЮ2) и ионной (ЫаО!) связи. Значения УЭП составили 20,69 мкСм/см и 70,6 мСм/см соответственно (рис. 1,2).

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Температура,°С

Рис. 1 - Зависимость УЭП водных вытяжек глин Максимковского

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Температура, °С

Рис. 2 - Зависимость УЭП водной вытяжки глины Саранского месторождения

Представленные рисунки отражают различное поведение глин различного состава. Так на рисунке 1, кривые 1 и 2 видно значительное увеличение значения УЭП в интервалах температур 700 - 900 0С, что может указывать на разложение карбонатов, содержащихся в мергелистых глинах. Приведенные данные коррелируют с данными

рентгенофазового анализа [5]. Указанный пик не фиксируется на рисунке 1, кривая 3 и на рисунке 2, в виду отсутствия карбонатов.

Некоторая стабилизация связей наблюдается в интервалах температур 900 - 12000С, где значения УЭП схожи, что может свидетельствовать об образовании соединений с преимущественно ковалентным типом связей. По данным рентгенофазового анализа в этом интервале температур фиксируется наличие волластонита и пироксенов.

Результаты, полученные данным методом, по нашему мнению, позволят перейти от эмпирического подхода к выбору режимов обжига к более детальному, научно обоснованному подходу. По данным УЭП, можно судить о максимальной температуре обжига и о скорости подъема температуры, так например, на кривых УЭП (рис. 1, 2) наблюдается некоторая стабильность значений в интервале температур обжига (900 - 12000С), что может свидетельствовать о завершении тех или иных процессов (в данном случае образование пироксенов и волластонита), подъем температуры выше 900 - 10000С будет нецелесообразен. Так же на участке 600 - 8000С (рис. 1), где наблюдается скачок значения УЭП, имеет смысл несколько снизить скорость нагрева керамической массы. Однако данная работа требует дальнейшей проработки с конкретными рекомендациями к технологическим режимам, так же не учтено влияние временных водорастворимых примесей, которые не окажут влияние на эксплуатационные свойства готового продукта, но отразятся на графике УЭП.

Заключение

В данной работе была сделана попытка изучения характера связей керамических материалов методом кондуктометрии. Показано, что различные глины и их композиции демонстрируют различные значения удельной электрической проводимости, в зависимости от температуры обжига. Полученные результаты коррелируют с данными полученными традиционными методами изучения керамических материалов (рентгенофазовый, дериватографический и др.).

Изучение характера связей данным методом поможет в решении ряда задач, таких как оптимизация процессов обжига керамических изделий и построение кривой обжига.

Экспериментальная часть

Г лины и их композиции, обожженные при различных температурах (время обжига изделий 2 ч), измельчали, просеивали через сито с диаметрами ячейки 1,0-1,3 мм, 5 г фракции затворяли в 100 мл бидистилированной воды. Образцы выдерживали в течение 5 сут. Далее отфильтровывали и анализировали фильтрат на кондуктометре «Эксперт-002». Удельная электропроводимость бидистилированной воды составляла 6 мкСм/см.

Литература

1. АвгустиникА.И. Керамика. Л.: Стройиздат, 1975 645c.

2. ДриверДж. Геохимия природных вод. М. Мир, 1985. 300c.

3. Перчук Л.Л. Термодинамика минералов, http://geo.web.ru/~serg/Perchuk/

4. Гаркави М.С. Термодинамический анализ структурных превращений в вяжущих системах. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 83 с.

5. Салахов А. М., Туктарова Г. Р., Морозов В. П. Особенности структурообразования при сушке и обжиге модифицированных керамических масс // Строительные материалы. 2005. № 11. С. 46 - 48.

© А. М. Салахов - канд. техн. наук, доц. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; А. И. Хацринов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; Р. М. Нафиков - асп. той же кафедры.