Разработка состава ангоба для облицовочной керамической плитки однократного обжига

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 666.32

РАЗРАБОТКА СОСТАВА АНГОБА ДЛЯ ОБЛИЦОВОЧНОЙ КЕРАМИЧЕСКОЙ ПЛИТКИ ОДНОКРАТНОГО ОБЖИГА

© 2010 г. А.А. Галенко

Шахтинский институт

Южно-Российского государственного of South-Russian State

технического университета Technical University

Рассмотрена возможность использования в составе ангоба для декорирования керамической плитки однократного обжига щелочного каолина с целью повышения физико-механических и эстетических свойств. Были получены оптимальное соотношение компонентов и основные параметры технологических процессов.

Ключевые слова: щелочной каолин; состав; ангоб; шликер; однократный обжиг.

Use possibility in structure of the angob for dressing of a ceramic tile of unitary roasting alkaline kaolin for the purpose of increase of physicomechanical and aesthetic properties is considered. The optimum parity of components and key parametres of technological processes have been received.

Keywords: alkaline kaolin, structure, angob, slip, one-time firing.

В современном строительстве широко востребованы различные облицовочные материалы, к которым предъявляются высокие технико-экономические и дизайнерские требования. К таким материалам относится керамическая облицовочная плитка, которая широко используется как для облицовки внутренних интерьеров, так и в производственных зданиях и помещениях. Разработка более совершенных эффективных технико-экономических способов производства высококачественной плитки - одна из важнейших научно-технических задач.

Наиболее перспективным направлением развития технологии производства керамической облицовочной плитки является переход на однократный обжиг. В данном случае возникает необходимость не только модификации состава керамической массы, но и декоративного покрытия. При однократном обжиге формирование фазового состава и структуры керамического черепка осуществляется одновременно с аналогичными процессами в декоративном покрытии, что может вызвать определённые технологические трудности, связанные, прежде всего, с увеличением количества дефектов покрытия вследствие дегазации черепка. Известно, что дефекты, связанные с выходом газов, полностью исчезают, если материал выдерживается в течение 7-10 мин при 800-900 °С [1], однако в случае скоростного однократного обжига длительность этого процесса составляет от 28 до 45 мин, и подобная выдержка существенно снизит производительность обжиговых установок и повысит себестоимость изделия. Изменение состава керамической массы в целях снижения количества выделяемых газов также является достаточно проблематичным, так как даже полное исключение карбонатных материалов не предотвращает появления дефектов вследствие выделения водяных паров и соединений серы.

Таким образом, наиболее перспективным является корректирование состава декоративного покрытия с целью смещения процесса его спекания в область температур, в которой дегазация черепка будет завершена.

В настоящее время декорирование керамической плитки для внутренней облицовки осуществляется в два этапа - последовательное ангобирование и глазурование. При этом к ангобу предъявляются достаточно высокие требования, поскольку данный слой должен впоследствии полностью скрыть структуру черепка, иметь высокую степень адгезии с керамическим черепком и глазурным покрытием. В современных условиях для декорирования наибольшее распространение получили надглазурные пигменты, которые и формируют впоследствии внешний вид продукции. Для сокращения затрат на пигменты и красители необходимо снизить их расход, что возможно только при условии обеспечения высокой белизны ангобного слоя.

Таким образом, можно утверждать, что разработка состава ангоба должна осуществляться с учётом необходимости повышения температуры его спекания, обеспечения формирования высокопрочного промежуточного слоя между черепком и глазурью, обладающего повышенными эстетическими свойствами.

Наиболее распространёнными материалами для ангобов являются: беложгущаяся глина, как правило, высокой сортности, фритта, каолин, кварцевый песок. Данные компоненты позволяют получить достаточно качественное покрытие, однако наличие в составе ангоба глины предопределяет относительно невысокую температуру начала спекания и повышенное содержание красящих оксидов. При этом возникает необходимость введения в состав ангоба доступного высококачественного компонента, позволяющего

обеспечить получение высокопрочного покрытия повышенной белизны. В качестве такого компонента нами изучен щелочной необогащённый каолин Екате-риновского месторождения Донецкой области. Однородность состава, высокие белизна и механические характеристики готовой продукции делают применение данного материала весьма перспективным. Химический состав используемых компонентов представлен в табл. 1.

Химический состав сырьевых ма

Далее компоненты в сухом состоянии тщательно смешивались и загружались в фарфоровые барабаны для последующего размола. В качестве мелющих тел использовали уралитовые шары и цилиндры разного диаметра. Сырьевые материалы и мелющие тела помещали в фарфоровые барабаны в соотношении 1:2. Размол осуществлялся в лабораторной валковой мельнице в течение 3 ч. Необходимая тонкость помола контролировалась остатком на сите № 006 1-2 %.

Таблица 1

жалов, пересчитанный на 100 %

Наименование материала Содержание, % по массе Z

SiO2 Fe2O3 AI2O3 Ti02 CaO MgO K2O+ Na2O ZnO B2O3 п.п.п.

Глина ВКН-2 владимировская 62,17 1,19 23,89 1,19 1,24 1,09 3,12 - - 6,11 100,00

Каолин «Журавлиный Лог» 46,84 0,61 36,23 0,28 0,90 0,63 1,25 - - 13,26 100,00

Каолин щелочной екатериновский 71,04 0,72 15,30 0,05 1,25 0,64 5,90 - - 5,10 100,00

Песок привольненский 99,14 0,04 0,70 - - - - - - 0,12 100,00

Фритта БТЕ 303/С 58,77 - 7,97 - 9,68 2,81 7,84 4,09 8,84 - 100,00

Фритта НБ 371 59,89 - 6,82 - 9,48 3,63 6,76 6,56 6,86 - 100,00

Указанное низкое содержание Fe2Oз+TiO2, являющихся красящими оксидами, свидетельствует о ценности данного сырья для фарфоро-фаянсовой промышленности, так как может обеспечить широкий интервал спекания и получение материала с высоким коэффициентом отражения.

Щелочной каолин имеет следующий минералогический состав (% по массе): калиевый полевой шпат (36,1), каолинит (26,7), кварц (35,1), прочие (2,1). Поскольку щелочной каолин отличается высоким содержанием кварца, его введение в состав массы осуществлялось не только за счёт владимировской глины, но и частично за счёт кварцевого песка.

Сырьевые материалы предварительно взвешивали на технических весах с точностью до 0,01 г в соответствии с шихтовым составом (табл. 2).

Таблица 2

Шихтовые составы керамических масс ангобов, % по массе

№ состава Наименование материала

Глина ВКН-2 владимировская Каолин «Журавлиный Лог» Фритта HF 371 Фритта FTE 303/С Песок привольненский Каолин щелочной екатериновский I

1 (база) 5,00 10,00 25,00 35,00 25,00 - 100,00

2 - 10,00 25,00 35,00 25,00 5,00 100,00

3 - 10,00 25,00 35,00 20,00 10,00 100,00

4 - 10,00 25,00 35,00 15,00 15,00 100,00

Влажность готовых ангобных шликеров составляла 40 % при плотности 1,60 - 1,62 103 кг/м3 и скорости истечения из вискозиметра (диаметр отверстия 4 мм) 11 - 12 с.

Для изучения физико-механических свойств ан-гобного слоя из полученных шликеров методом литья в гипсовую форму получали образцы - плитки размером 3,5 х 7,5 х 6 мм.

Образцы (плитки), полученные методом литья, подвяливали на воздухе при комнатной температуре в течение 24 ч.

Далее образцы подвергали сушке в сушильном шкафу при температуре 100 ± 5 оС в течение 3 ч. Высушенные таким образом плитки взвешивались на технических весах с точностью до 0,01 г.

Затем образцы подвергали обжигу в муфельной электрической печи со скоростью подъема температуры 4...5 оС/мин. Для установления зависимости физико-технических свойств от различных температур обжига был исследован температурный интервал 1000 - 1100 оС. После достижения установленных температур, а именно 1000, 1050 и 1100 оС, проводили изотермическую выдержку образцов в течение 15 мин для полного завершения структурных и модификаци-онных превращений в исследуемом материале.

Результаты исследований послеобжиговых свойств приведены в табл. 3.

В условиях скоростного однократного обжига такие показатели, как воздушная и огневая усадка, должны согласовываться с аналогичными свойствами керамического черепка, наиболее же важными являются водопоглощение и пористость, которые не только характеризуют качество ангобного покрытия, но и позволяют косвенно характеризовать расход глазури.

Таблица 3

Послеобжиговые свойства ангоба, °С

№ состава Воздушная усадка, % Водопоглощение, % Огневая усадка, % Пористость, % Плотность, г/см3

1000 оС

1 (база) 0,14 21,25 0,14 38,98 1,43

2 0,28 24,34 0,56 37,88 1,56

3 0,47 24,89 0,99 38,53 1,55

4 0,69 31,48 0,28 41,21 1,48

1050 оС

1 (база) 0,14 7,84 3,05 16,63 1,70

2 0,28 8,00 6,84 15,38 1,96

3 1,43 8,74 9,14 11,86 2,07

4 1,50 10,71 6,30 19,61 1,83

1100оС

1 (база) 0,14 1,42 10,00 4,81 2,16

2 0,29 1,56 10,32 3,55 2,27

3 1,45 1,77 11,56 4,04 2,28

4 1,58 2,01 10,85 4,55 2,26

При температуре обжига 950 оС образцы всех четырех составов отличаются повышенным водопогло-щением (от 21,25 до 31,48 %).

Принимая во внимание низкую температуру обжига (950 оС) образцов, что является причиной недостаточной кристаллизации стеклофазы, было сделано предположение о влиянии открытой пористости на увеличение водопоглощения, так как повышенная открытая пористость способствует большему проникновению влаги внутрь ангобного слоя и увеличивает его влажностное расширение.

Для снижения пористости была увеличена температура обжига до 1000 оС. Величина водопоглощения у образцов ангоба, обожженных при этой температуре, значительно снизилась по сравнению с предыдущей серией образцов и составила от 10,71 до 7,84 %. При повышении температуры обжига наблюдается снижение водопоглощения от 2,01 до 1,42 % в связи с усилением спекания ангоба при увеличении количества стеклофазы в его структуре.

В зависимости от количества кварцевого песка, щелочного каолина и гранулометрического состава ангобной массы с различной интенсивностью проходит процесс спекания, и, следовательно, покрытие приобретает различную пористость и плотность.

Щелочной екатериновский каолин отличается высоким содержанием щелочных и щелочноземельных оксидов ^20 + RO) - 7,03 % по массе, наличие которых обусловливает увеличение количества образующейся жидкой фазы в процессе спекания, что ускоряет образование структуры черепка и повышает такие свойства, как плотность и прочность изделия.

Эстетико-потребительские свойства ангоба изучали как визуальным определением цвета, так и применением фотометрического метода с определением коэффициента отражения (КО, % по МС-20) на фотометре ФМ-56 со встроенными светофильтрами: синим (СС-5), зеленым (ЗС-1) и красным (КС-13).

В качестве эталона белизны было использовано белое матовое стекло МС-20, аттестованное в ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Коэффициент отражения эталона составляет 96 %. Результаты исследования коэффициента отражения ангобов составов №1 - 4 приведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты определения белизны ангоба

№ состава Коэффициент отражения, % по МС-20, со светофильтрами

красным /КС-13/ зеленым /ЗС-1/ синим /СС-5/ КО, % по МС-20

Температура обжига 950 оС

1 (база) 83 71 50 68

2 82 73 50 68

3 82 71 49 67

4 99 63 42 68

Температура обжига 1000 оС

1 (база) 97 72 49 73

2 97 76 50 74

3 98 80 50 74

4 99 76 50 75

Температура обжига 1050 оС

1 (база) 89 82 50 74

2 90 83 51 75

3 92 82 51 75

4 94 81 52 76

Приведенные результаты показывают, что величина КО повышается с увеличением процентного содержания щелочного каолина в массе ангоба. При содержании каолина от 5 до 15 % по массе величина КО составила соответственно 74 - 76 %. В связи с этим следует более подробно остановиться на колористических характеристиках каолина.

Пригодность каолина как основного компонента керамической массы определяется, с одной стороны, технологическими свойствами шликера и керамической массы на его основе, а с другой - свойствами обожженного материала, включая колористические характеристики.

Основными факторами, влияющими на цвет каолина, являются следующие:

- общее содержание железистосодержащих примесей и железа, связанного с органическими соединениями;

- соотношение силикатного железа (изоморфные примеси в каолините или в виде стуктурообразующих атомов, например, в гидрослюде) и несиликатного железа, представленного железосодержащими минералами, включая гетит, гематит, магнетит, пирит и др.;

- минералы железа, которые могут быть в виде микровключений отдельных зерен или пленок, обволакивающих частицы глинистых минералов.

Поступила в редакцию

Результаты исследований позволили выявить оптимальный состав ангоба и доказывают возможность получения качественного покрытия для облицовочных плиток однократного обжига. Замена глины и частично песка на щелочной каолин в шихтовом составе ангоба позволяет повысить белизну покрытия. При этом основные свойства изделий будут соответствовать необходимым технико-эксплуатационным требованиям. Таким образом, оптимальными физико-механическими свойствами обладает состав ангоба № 4, обожженный при температуре 1100 оС.

Литература

1. Чирской А.С., Галенко А.А. Технология однократного обжига (монопороза) керамической плитки для внутренней облицовки стен // Перспективы развития Восточного Донбасса : сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2007. С. 333 - 336.

17 ноября 2009 г.

Галенко Андрей Анатольевич - аспирант, кафедра «Технологии керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Тел. 8-906-417-07-31.

Galenko Andrey Anatolievich - post-graduate student, department «Ceramic, Glass and Cementing Materials», South-Russian State Technical university (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-906-417-07-31.