СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛИТ ИЗ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF MAKING BOARDS FROM CERAMIC MATERIAL

Настоящее изобретение относится к производству плит из керамического материала, в частности к способу получения этих плит, а также к самим плитам.
В течение последних 15 лет технология, которая относится к таким плитам, постепенно развивалась на основе способа, описанного в Европейском патенте №378275 от 17.04.1996 г., на который нужно сослаться для подробного описания.
Вкратце, согласно этому способу, камень или камнеподобный материал, в гранулированной или порошковой форме, смешивается с керамической связующей матрицей (этот термин понимается как относящийся к смеси порошков, подходящей для получения керамических материалов посредством горячего спекания) и с неорганическим связующим в водном растворе, например, силиката натрия, после чего он осаждается в форме тонкого слоя на временную подложку или внутри пресс-формы.
Затем для уплотнения смеси, чтобы образовать плиту, проводится этап вакуумного вибропрессования, а именно приложение давления посредством нажимной плиты, применяя в то же время колебательное движение заданной частоты, при этом уплотняемый материал держится под вакуумом.
За этапом уплотнения следует этап сушки и этап обжига при температуре, которая соответствует или во всяком случае достаточно высока для превращения в результате спекания связующей матрицы в керамическую фазу, которая охватывает и соединяет частицы камня или камнеподобного материала.
Позднее этот способ и установка были улучшены (как описано и заявлено в итальянском патенте №1293176, выданном в 1999 г.), предусматривая распределение исходной смеси на подложке, состоящей из войлока, покрытого проницаемым листом бумаги.
Затем слой смеси покрывают резиновым полотном, которое полезно на этапе вакуумного вибропрессования, и полученную черновую плиту, с которой удалено резиновое полотно, переносят зажимным устройством на металлическую сетку или основу и вводят на последней в сушильную печь, где под действием тепла (предпочтительно в виде принудительной циркуляции горячего воздуха) она приобретает консистенцию, достаточную для последующих манипуляций.
Из секции сушки черновую плиту переносят в секцию обжига после удаления войлока, на котором плита оставалась, и после нанесения на бумажный лист, который все еще контактирует с поверхностью черновой плиты, слоя огнеупорного материала для защиты плиты на этапе обжига.
На этом этапе, до спекания керамической связующей матрицы, имеет место сжигание бумаги, все еще покрывающей верхнюю поверхность черновой плиты.
В итальянском патенте №1311858, выданном в 2002 г., вышеуказанные способ и установка были дополнительно улучшены тем, что исходную смесь до этапа вибропрессования вкладывали между двумя листами тонкого картона или картона, чтобы поглотить лишнюю воду из смеси перед ее переводом на следующие этапы сушки и обжига.
Оба листа картона перед сушкой удаляли, опрокидывая уплотненную плиту, так что на этом этапе черновая плита оставалась только на слое ткани или пористого войлока.
С другой стороны, для обжига плита оставалась на поверхности печи благодаря только огнеупорному слою, имеющему функцию временной защиты.
Наконец, в итальянском патенте №1334424 от 4 сентября 2002 г. способ, который постепенно совершенствовался, был дополнительно модифицирован, образуя исходную смесь с керамическим песком, имеющим размер зерна меньше 2,5 мм, предпочтительно меньше 1 мм, и добавляя к исходной смеси волокна тугоплавкого неорганического материала, предпочтительно тугоплавкого стекла, чтобы улучшить механические свойства плит во время сушки.
За дальнейшими деталями относительно цитированных выше документов уровня техники следует обратиться к соответствующим публикациям.
Однако при промышленном применении способа, полученного в результате различных, постепенно вводимых улучшений, возникли определенные недостатки и проблемы, частично из-за самих этих модификаций.
Во-первых, применение силиката натрия создает проблемы при сушке, так как он требует очень больших времен сушки (порядка 36 часов или более), что несовместимо с промышленной осуществимостью способа из-за образования глазури на поверхности плиты, что препятствует и замедляет испарение воды.
Кроме того, осажденный силикат натрия остается на поверхности плиты и на следующем этапе обжига дает стекловидные поверхностные отложения, что в дополнение к нормальным отделочным операциям приводит к необходимости особой механической обработки.
Сложности при сушке приводят также к присутствию на поверхности плит после обжига дефектов в форме бугров, которых можно избежать только использованием керамического песка с особо большим размером зерна.
Вторая проблема связана с неоднородным распределением тугоплавких волокон, которые в некоторых зонах исходной смеси и, следовательно, слоя, наносимого в пресс-форму, остаются в виде пучков.
После обжига и, следовательно, после исчезновения волокон, в толще и/или также на поверхности остаются макропоры, которые видны как маленькие кратеры на поверхности. Таким образом, ясно, что эти проблемы и недостатки связаны главным образом, с одной стороны, со временем сушки силиката натрия и его размягчающим действием во время обжига, а, с другой стороны, с дефектами, зависящими от упрочняющих добавок в черновую плиту, а именно таких, как тугоплавкие стекловолокна.
Целью настоящего изобретения является решить эти проблемы и устранить недостатки, в то же время, сохраняя преимущества, уже достигнутые упомянутыми выше усовершенствованиями процесса.
Было найдено, что цель изобретения достигается промышленно выгодным образом, если в исходной смеси вместо силиката натрия использовать водную дисперсию частиц коллоидной окиси кремния нанометрового размера в качестве связующего и жидкого компонента смеси керамических песков и керамической матрицы в порошковой форме, а вместо тугоплавких волокон использовать органическое связующее.
Что касается первого отличительного признака способа по настоящему изобретению, а именно применения в качестве связующего водной дисперсии коллоидной окиси кремния (известной также как силиказоль), эта дисперсия состоит из экологически совместимого связующего, уже используемого в других секторах, таких как песчаные формы для литья.
Используя силиказоль, можно обойтись без применения упрочняющих волокон, так как, в отличие от силиката натрия, силиказоль не является соединением, отличающимся высокой степенью щелочности, и поэтому позволяет дополнительно использовать органическое связующее, такое как водный раствор поливинилового спирта, или водорастворимую целлюлозу, или сахар.
Добавление органического связующего предпочтительно повышает вязкость жидкости в смеси и также имеет две очень положительных черты:
- во-первых, благодаря высокой степени липкости/клейкости уплотненная плита, которую нужно высушить, достаточно устойчива для манипуляций, чтобы избежать образования дефектов и трещин;
- во-вторых, органическое связующее разлагается при температуре в диапазоне 300-400°C, т.е. при температуре намного ниже, чем максимальная температура обжига плиты, так что оно удаляется в обжиговой печи прежде фактического спекания керамических порошков без образования так называемой "черной сердцевины", а именно углеподобного отложения, которое могло бы образоваться в ином случае и которое могло бы обнаружиться в плите как ухудшение эстетических свойств конечного продукта. Любое органическое связующее добавляется в смесь в количестве 20-60% от полного объема связующей среды.
Настоящее изобретение предпочтительно предусматривает осаждение слоя исходной смеси на временную подложку, состоящую из газо- и паропроницаемого материала, который по существу не растягивается и который регенерируется и повторно используется на следующих циклах производства плит.
Термин "нерастяжимый" или "по существу нерастяжимый" понимается как относящийся к материалу, который испытывает минимальную степень удлинения, подвергаясь растягивающему напряжению, прикладываемому вдоль его края параллельно плоскости, в которой он лежит, как, например, напряжение, прикладываемое захватным устройством, чтобы перенести временную подложку с осажденным на ней слоем смеси.
В качестве временной подложки можно использовать прочные промышленные ткани, сделанные из очень жестких нитей, устойчивых к температурам сушки плит, которые могут варьироваться от 80 до 140°C. Нити, которые могут использоваться для изготовления рассматриваемых промышленных тканей, могут быть синтетическими (такими как нити, сделанные из полиэфирных, полиамидных и арамидных волокон) или металлическими, в частности сделанными из стали.
По существу нерастяжимая структура подложки позволяет подложке транспортироваться вместе с уплотненной плитой на подобной сетке, предпочтительно металлической поверхности, не подвергаясь каким-либо сотрясениям, которые могли бы вызвать образование дефектов, которые проявились бы позднее, во время сушки. Очевидно, что благодаря газо- и паропроницаемой структуре временной подложки возможно испарение воды из смеси, чтобы осуществилась сушка уплотненной плиты.
Как альтернатива можно также использовать временную подложку, которая не является особо нерастяжимой и/или газо- и паропроницаемой, в случае, когда черновая плита после уплотнения должна опрокидываться, перед сушкой, на проницаемую подложку.
До распределения смеси, на проницаемое дно лотка помещают пористый лист, например, из картона или тонкого картона, и аналогичный лист картона или тонкого картона помещают сверху смеси, так что смесь, уплотняемая в форму плиты, практически окружена бумажной или картонной оболочкой, которая, будучи пористой и газопроницаемой, позволяет воде испаряться из смеси, осуществляя сушку уплотненной плиты.
Затем оба листа бумаги или картона удаляют путем сжигания на этапе, включающем в себя высокотемпературный обжиг плиты.
Применение силиказоля в качестве связующего, предусматриваемое настоящим изобретением, предотвращает образование стеклообразного слоя на поверхности высушенной плиты, так что можно заранее нанести на один или два листа бумаги или картона тонкий огнеупорный слой (ангоб), который может состоять из водной дисперсии тугоплавких порошков и который наносится, например, распылением, и затем сушится. Было установлено, что огнеупорный слой на этапе вибропрессования прилипает к поверхности плиты, с которой он контактирует, и позднее, после сушки плиты и сжигания бумаги, прилипает к указанной поверхности, образуя в результате защитный слой, который предотвращает сцепление плиты с роликами сушильной печи в зонах высокой температуры.
Таким образом, суммируя, способ по настоящему изобретению предусматривает приготовление исходной смеси (содержащей керамические пески с размером зерна менее 2 мм, предпочтительно менее 1,2 мм, связующее и так называемый наполнитель, а именно минеральные порошки, выбранные из полевых шпатов, нефелинов, сиенитов, смешанный с глинами и/или каолинитами, причем порошки после обжига образуют сплошную керамическую матрицу), осаждение исходной смеси на временную подложку для этапа уплотнения путем вакуумного вибропрессования, сушку и обжиг, причем данный способ отличается тем, что указанное связующее состоит из силиказоля, который может быть смешан с органическим связующим, предпочтительно водным раствором поливинилового спирта.
В отношении устройства настоящее изобретение отличается тем, что осаждение слоя исходной смеси проводится предпочтительно на временную подложку, которая является по существу нерастяжимой и газо- и паропроницаемой и на которую до осаждения исходной смеси размещают защитный пористый слой, состоящий, например, из листа бумаги или картона.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения после осаждения слоя исходной смеси на верхнюю поверхность слоя смеси наносят вторую защитную пористую пленку, например лист бумаги или картона, после чего лоток переносят на станцию вакуумного вибропрессования.
Перед этим на поверхность одного из двух картонов, которые будут контактировать со смесью, наносят пленку огнеупорного материала в водной суспензии, или ангоб, и сушат, причем указанная пленка во время сушки прилипает к смеси, образуя защитный слой для плиты во время обжига, имеющий функцию предотвратить сцепление между плитой и конвейерными роликами обжиговой печи.
Затем уплотненную плиту помещают поверх похожей на сетку, предпочтительно металлической, поверхности для сушки, например, посредством транспортировки нерастяжимой подложки, на которой плита может подвергаться вибропрессованию.
После сушки плиту переносят в обжиговую печь.
Как можно понять из последующего описания предпочтительной реализации изобретения, даваемого со ссылками на приложенные чертежи, преимуществ, достигаемых изобретением, много, основные из них следующие:
(1) применение силиказоля позволяет сократить время сушки до значений, не превышающих 24 часа, не имеет никакого размягчающего эффекта и не вызывает усиления остекловывания или хрупкости плиты после обжига;
(2) применение силиказоля позволяет использовать в смеси вязкие и адгезивные органические связующие, тем самым избегая использования тугоплавких волокон и, таким образом, предотвращая образование бугров и/или макропор;
(3) благодаря использованию в смеси органического связующего, в частности поливинилового спирта, можно избежать не только применения тугоплавких волокон, но также образования собственных дефектов в готовой плите, предотвращая растрескивание на этапе сушки;
(4) благодаря применению силиказоля, который предотвращает образование стекловидного поверхностного слоя, можно использовать два листа бумаги или картона, чтобы обернуть слой исходной смеси до вибропрессования, причем картон позднее удаляют сжиганием;
(5) применение силиказоля, предотвращая образование стекловидного поверхностного слоя, позволяет нанести до этого на поверхность одного из двух листов бумаги или картона, находящегося в контакте со смесью, огнеупорный слой или ангоб, который прилипает к поверхности плиты после этапов сушки и сжигания бумаги;
(6) благодаря применению картона можно использовать по существу нерастяжимую газопроницаемую подложку, которую переносят на металлическую сушильную сетку, что устраняет операции, которые могут вызвать повреждение, в том числе переворачивание уплотненной плиты;
(7) применение силиказоля предотвращает образование стеклообразных отложений на поверхности, которые могли бы получиться из-за остаточного силиката натрия, пропитывающего разделяющий картон.
Приложенные чертежи показывают часть устройств согласно изобретению на различных этапах цикла производств плиты. В частности:
- фиг.1 показывает схематически секцию установки, где исходную смесь распределяют на проницаемых подложках и уплотняют путем вакуумного вибропрессования;
- фиг.2 показывает секцию сушки и обжига установки; и
- фиг.3 показывает в увеличении сечение плиты перед этапом сушки.
Согласно фиг.1, позиция 10 означает группирующий круг в целом, на который подают смеси, полученные в совокупности смесителей (находящихся выше по схеме и не показанных), которые готовят отдельные смеси, используя указанные ниже способы, и выгружают их на ленточный конвейер, который, в свою очередь, питает вышеуказанный накопитель.
В каждый смеситель подают дозированную смесь песка, состоящую из песков с разным размером зерен (до 0,1 мм, от 0,1 до 0,3 мм, от 0,3 до 0,6 мм и от 0,6 до 1,2 мм), в количествах, рассчитываемых по формулам, например, по формуле Боломе.
Затем в смеситель вводят желаемое количество упомянутого выше наполнителя (предпочтительно смесь нефелина/полевого шпата и каолина/каолинита) и, наконец, смесь, состоящую из неорганического связующего, образованного из уже упомянутого силиказоля и органического связующего (предпочтительно водный раствор поливинилового спирта).
Когда плита, которую требуется получить, состоит из смесей, отличающихся друг от друга, например и в принципе разного цвета, функцией группирующего круга является получить единственную смесь, содержащую индивидуальные смеси, которые, тем не менее, сохраняют свой индивидуальный характер.
Дальнейшие детали относительно этого группирующего круга даны в итальянском патенте №1242777.
Смесь, покидающая группирующий круг, подается по ленточному конвейеру 14 на загрузочное устройство/распределитель 16 после прохождения через дробильное устройство 18.
Дальнейшие детали относительно загрузочного устройства/распределителя можно получить из Международной патентной заявки PCT/EP 2005/055736, а ссылки на дробильное устройство можно найти в итальянской полезной модели №223042.
Загрузочное устройство/распределитель 16 производит осаждение слоя смеси 22 желаемой толщины на временную нерастяжимую и газо- и паропроницаемую подложку 20, расположенную на транспортирующей системе, такой как механизированный ленточный конвейер 21, чтобы осуществлять дробную подачу, чтобы приводить каждую пресс-форму во множество последовательных рабочих положений, обозначенных как A, B и т.д.
Как можно понять из фиг.1, до осаждения слоя смеси 22 поверхность временной подложки 20 покрывают (положение A) пористым листом 24 бумаги или картона. Второй лист 30 бумаги или картона помещают на смесь, распределяемую в последующем положении D.
До этого на поверхность одного из двух картонов, контактирующих со смесью, наносят слой огнеупорного материала 23 (положение B) и сушат и затем на него осаждают слой смеси 22 (положение C).
Перед этим, возможно, и можно предусмотреть нанесение и сушку вне линии огнеупорного слоя на картон 24, который затем помещают на подложку 20 (положение A), так что из этого положения переходят сразу на этап, указанный позицией C.
В следующем положении E слой смеси 22 подвергается уплотнению под действием вибрационного пресса 31, одновременно подложка со смесью подвергается действию вакуума при остаточном давлении в интервале 20-40 миллибар.
Положение F показывает уплотненную черновую плиту, остающуюся на проницаемой подложке, обозначенной как целое позицией 32, и готовую для последующих этапов сушки и обжига, показанных на фиг.2.
F1 обозначает положение, где плита с проницаемой подложкой находится на металлической сетке 33, на которой она будет позднее сушиться.
Черновые плиты проводятся в сушильную печь (положение G), обозначенную в целом позицией 34, и удерживаются в ней несколько часов при подходящей температуре, чтобы удалить имеющуюся воду и приобрести механическую прочность, достаточную для последующих манипуляций.
Как уже отмечалось, этот результат возможен также благодаря использованию органического связующего, которое имеет повышенную липкость/клейкость, чтобы компоненты смеси и, следовательно, черновая плита легче связывались друг с другом.
.
После выхода из сушильной печи решетка 33 с проницаемой подложкой и высушенной плитой приводятся в положение I, где они подвергаются действию пневматического захватывающего устройства 36 (тип, обычно применяющийся при механической обработке пластинчатых материалов для их обработки и перемещения). Это захватывающее устройство удаляет сухую плиту с подложки и затем переносит ее в обжиговую печь 38
За обжиговой печью предусмотрены станции охлаждения, и оттуда плиты проходят затем на линии обработки поверхности и отделки.
3
2
Плиты, полученные способом, описанным выше, имеют в конце плотность примерно 2,4 кг/дм и прочность на изгиб примерно 400 кг/см.
Для подтверждения вышеизложенного было получено две плиты, причем указанные плиты были сделаны из смеси, имеющей следующий объемный состав:
Связующее
20%
Наполнитель (смесь каолинита и полевого шпата)
30%
Керамический песок с размером зерна от 0,1 до 1,2 мм
50%
В первой плите использовался водный раствор силиката натрия при 36 единицах по шкале Боме, а во второй плите использовалась смесь, содержащая в качестве связующего 70% силиказоля и 30% поливинилового спирта в водном растворе. Обе плиты после уплотнения сушили при температуре 90°C: первая плита достигала сухого состояния за 36 часов, тогда как вторая плита достигла сухого состояния за 24 часа.
Затем обе плиты обжигали при температуре 1200°C. После обжига первая плита имела бугры на поверхности, а вторая плита имела идеально плоскую и гладкую поверхность.