CC BY
16
############################## ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
************************************************************
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ ФАРФОРОФАЯНСОВЫХ ШЛИКЕРНЫХ МАСС ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ
г
В. И. СОЛОМАТОВ, академик РААСН,
доктор технических наук, В. А. НИКОЛИН, кандидат технических наук
В настоящее время помимо утилитарного назначения фарфоровые и фаянсовые изделия применяются во многих отраслях промышленности. Объемы расходуемых сырьевых материалов огромны, компоненты керамических масс доставляются из различных регионов страны и СНГ. Это требует постоянного корректирования составов фарфоро-фаянсовых масс, которое проводится устаревшими методами, что приводит к довольно высокому проценту брака. Такое положение не устраивает ни производителей, ни народное хозяйство в целом и является весомым аргументом в пользу нетрадиционного подхода при подборе составов фарфорофаянсо-вых шликерных масс и их корректировке.
Фарфор и фаянс известны в Китае, с периода Хань (II в. до н. э.), но лишь в период Сунь (960 — 1279 гг.) появился знаменитый фарфор „яичной скорлупы", имеющий > очень тонкие стенки. Китайским мастерам потребовалось более 12 веков для получения фарфоровой массы с таким процентным соотношением компонентов, при котором можно было изготавливать достаточно объемные изделия с толщиной стенки менее 0,5 мм [11.
К сожалению, современные способы подбора составов фарфорофаянсовых шликерных масс далеки от совершенства и не обеспечивают необходимого качества получаемой продукции; они основаны на эмпирических методах оп-
©
редел ения процентного содержания компонентов. В них нередко используются несколько видов глин и каолинов, чтобы при замене одного из компонентов отклонения в химическом и мине-ралогичсском составах сырья не были слишком заметны [3, 4 Основным недостатком этих способов является то, что не учитываются особенности образования коллоидной керамической массы с точки зрения структурных преобразований в глиняной и каолиновой суспензиях при введении в них тонкомолотых частиц кварца, пегматита и других составляющих шликера.
Современные исследования в области структурных преобразований и их влияния на эксплуатационные свойства строительных материалов дают поразительные результаты [5 Однако до сего времени нет работ, посвященных изучению структуры керамических шликеров с точки зрения синергетики композиционных материалов.
Структура шликера представляет собой явный композит, в котором твердая (дисперсная) фаза, представленная тонкомолотыми частицами кварцевого песка, пегматита и других материалов, находится во взвешенном состоянии в жидкой (дисперсионной) фазе . глиня-но-каолиновой суспензии. Используя основы и аналитический аппарат синергетики композитных материалов, можно взглянуть на структуру шликера с точки зрения самоорганизующейся системы, обусловленной избытком по-
В. И. Соломатов, В. А. Николин, 1999
верхностной энергии частиц дисперсной фазы и снижением ее энтальпии в глиняно-каолиновой суспензии. Можно добиться такой микроструктуры, при которой частицы будут не только равномерно распределены по всей массе суспензии, но и размещены на равном расстоянии друг от друга, при этом силы притяжения и отталкивания в достаточной мере будут уравновешиваться между собой, вследствие чего шликер будет обладать относительно устойчивым равновесным состоянием, что в свою очередь положительным образом скажется на физико-механических характеристиках получаемых из него изделий.
Исключительно кластерное рассмотрение структуры шликера не представляется возможным, так как он является концентрированной дисперсно-наполненной системой, которую невозможно разбить на отдельные кластеры. По существу, шликерная масса представляет собой единый кластер, пронизывающий весь объем. Такие глобальные кластеры-изучаются в теории протекания и характеризуются критической долей сфер и соотношением диаметра частиц дисперсной фазы с толщиной ее сольват-ной оболочки.
На рис. 1 показаны изменения электросопротивления суспензий от водосо-держания наиболее часто применяемых в производстве глин и каолинов. При сравнительно близком их процентном соотношении в химических составах кривые проводимости существенно отличаются друг от друга. Такая разница объясняется только различной поверхностной энергией исследуемых глиняных и каолиновых частиц, а следовательно, и толщиной их сольватной оболочки. Введение в суспензию частиц наполнителя приводит к образованию у них собственных гидратных слоев из адсорбированной воды, что сказывается на изменении удельного электросопротивления всей массы. Определяя по падению электросопротивления количество воды, пошедшей на образование гид-ратных оболочек наполнителя, получаем числовые значения основных харак-
и
#
О
аГ
о а н
с
и
с о. (-X
о г,
о
Рис. 1. Зависимость электросопротивления от водосодержапия (нумерация по табл. 1)
Исследования проводили в лабораторных условиях на трех видах каолинов и трех видах огнеупорных глин, в качестве тонкомолотых наполнителей использовались тонкомолотый кварцевый песок и пегматит (табл. 1).
Изучение изменения удельного электросопротивления от степени наполнения проводили в специальных фарфоровых ванночках (4x2x2 см) с медными электродами и соединительными проводами 16 ]. Из каждого состава в соответствии с ГОСТ 196.20—79
изготавливались
50 х 50 х 8 мм,
теристик
масс [9 ).
исследуемых керамических
плиточки размером которые в течение
24 часов выдерживались при комнатной температуре, а затем высушивались в сушильном шкафу в течение 3 часов при 105 °С. Обжиг образцов проводили в заводской туннельной печи при рабочей температуре 1 250 °С по режиму 9x7x8 часов, затем у полученных
керамических черепков определяли необходимые физико-механические характеристики (табл. 2).
Водосодсржаиис, %
Т а б л и ц а 1
№ и/п Наименование материала ---——— ................... Химический состав. %
Л1203 тю2 Ге20з СаО N^0 КгО Ыа20 п.ii.п.
1 Новосельский каолин 45,50 36,80 1,10 1,10 0,50 0,18 0,24 0,23 14,35
2 Глуховецкий каолин 45,60 38,10 1,00 0,96 0,50 » 0,22 0,12 0,23 13,27
3 Просяновский каолин 47,20 37,60 0,60 0,50 0,54 0,30 0,50 0,10 12,66 ♦
4 Часово-Ярская глина 54,53 29,26 0,89 0,95 0,69 0,25 1,06 0,38 11,99
5 Гуекольская глина 51,07 30,10 1,09 2,93 1,20 0,84 0,70 0,32 11,75
6 В ее ел ов ска я глина 57,86 28,22 0,83 0,72 1,08 0,72 1,80 0,47 8,30
7 Кварцевый песок 97,80 0,50 0,02 0,08 0,30 0,15 0,15 0,10 0,90
8 I1сгматит 72,50 15,40 - 0,20 0,85 0,05 6,50 4,50 ■
Т а б л и ц а 2
№ п/п А Состав, 7 /о Диаметр частиц наполнителя, мкм Расчетные данные Предел прочности при изгибе, МП а Водопо-глоще-пие, %
Критическое число сфер Размер частицы с гидратной оболочкой, мкм Критическая доля сфер 110
1 2 3 4 5 6 7 8 Ч
1 I1в.к. — 100 ф - - - 55,0 13.10
2 Ни.к. —63,37,
Кв.п. 36,63 12 7,70 Ю10 1 910 0,147 7,10 57,5 8,20
3 I1в.к. 50,00,
Кв.п. 50,00 20 1,22 Ю10 8 782 0,108 7,15 59,2 6,40
4 Ив.к. —68,77,
Пг.— 31,23 10 1,11 1011 1 124 0,125 6,80 57,3 4,10
■ ,5 I1и.к. —55,85,
Иг. 44,15 20 1,02 10ю 9 090 0,094 6,85 67,7 3,10
6 Гл. к. — 100 - - - - 51,3 15,70
7 Гл. к. 71,66, -—
Кил г. —28,34 12 7,25 И)10 1 875 0,136 7,20 54,6 9,80
8 Гл.к. —56,77,
Кв.п. — 43,23 20 1,47 10ю 8 741 0,129 7,25 58,4 7,70
9 Гл к. 75,22,
Пг.— -24,78 10 1,31 10" 1 124 0,124 6,90 56,7 6,50
10 Гл.к. —62,60,
Пг.— -37,40 20 1,12 10ю 8 983 0,106 6,95 62,1 5,10
1 1 Пр. к . 100 - - - 59,5 14,10
12 П р. к .—67,29,
Кв.п. — 32,71 12 5,87 10ю 1 961 0,115 6,80 64,2 8,50
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
13 Г1 р. к. —54,20,
Кв.п. —45,80 20 9,46 109 8 991 0,085 6,90 65,1 6,90
14 ' Пр.к. —69,38,
Пг.— 30,62 10 9,77 10ю 1 190 0,121 6,65 \ 66,3 4,70
15 Пр.к. 56,97,
П г. — 43,03 20 8,67 109 9 202 0,080 6,70 71,9 3,40
16 ЧЯ.г. — 100 - - - - 105,2 0.40
17 ЧЯ.г. 58,69,
Кв. п. —41,31 12 7,60 10ю 1 973 0,149 € 6,80 119,4 0,35
18 ЧЯ.г. -45,77,
Кв.и. —54,23 20 1,14 10ю 9 033 0,103 6,85 125,1 0,30
19 ЧЯ.г. —62,05, -
П г. — 3 7; 95 10 1,22 10й 1 160 0,139 7,25 121,2 0,33
20 ЧЯ.г. —48,87,
Пг.— 9 ■51,13 20 1,07 10ю 8 743 0,094 7,20 131,7 0,30
21 Гс.г- -1 00 - — - 94,1 0,50
22 Гс.г.- -62,24,
Кв.п. —37,76 12 7,58 10ю 1 957 0,148 6,80 97,5 0,45
23 Гс.г.- -48,62,
Кв.п. —51,38 20 1,23ь ю10 8 950 0,110 6,95 Л 106,7 0,40
24 Гс.г.- -65,79,
Пг.- -34,21 10 1,19 10м 1 113 0,132 7,00 98,9 0,40
25 Гс.г.- -53,19, 1
Пг.- -46,81 20 1,03 10ю 8 856 л ч- 0,091 7,05 109,6 0,35
26 Вс.г. — 100 - • - - 1 10,1 4 0,40
27 Вс.г. —56,85, *
Кв.п. —43,15 12 6,95 • ю10 1 942 0,135 6,90 120,5 0,35
28 Не.г. —43,39, /
К в. п .—56,61 20 1,09 • 10ю 8 991 0,098 6,95 128,4 0,30
29 Вс.г. —62,68,
Пг.- -37,32 10 1,01 10» 1 092 0,109 7,20 125,7 0,30
30 Вс.г. -49,22,
Пг.- -50,78 20 9,14 ю9 8 815 0,081 7,10 1 131,8 0,26
П р и мечами е. Нв.к. — новосельский каолин; Гл.к. — глуховецкий каолин; 11р.к. — про-смпоиский каолин; ЧЯ.г. — часово-ярская глина; Гс.г. — гускольская глина; Вс.г. — веселовская глина; Кв.п. — кварцевый песок; Пг. — пегматит.
На использование в качестве тонкомолотых полифракционных частиц кварцевого песка и пегматита диаметром 10 — 30 мкм для получения фарфора с максимальными прочностными
и термическими характеристиками
указывали в своих работах Краузе и Егоров. Поэтому мы использовали частицы наполнителя со средним диаметром 10, 12 и 20 мкм. На рис. 2, 3, 4, 5
I
2 О
зг о
О)
ас
О) ^
СП
X н о а.
с
о
и
о
С-
ь-^
о
о
о с
г
О)
с;
2
725
700
675
650
1625
1600
45
50
55
60
0
5
10
9
7
15
650
625
60
65
70
75
0
5
10
15
Водосодержание, %
Тонкомолотый наполнитель, %
1' и с. 2. Изменение электросопротивления каолиновой суспензии от вида и количества наполнителя: а — тонкомолотый кварц. 0 12 мкм; б — тонкомолотый пегматит 0 10 мкм; 1 — ново-сельский каолин; 2 — глуховецкий каолин; 3 — просяновский каолин (цифровые обозначения
на рис. 2 — 5 соответствуют порядковым номерам составов в табл. 2)
я
приведены данные об изменении удельного электросопротивления глиняных и каолиновых суспензий при введении в их массу тонкомолотых полифракцион-ных частиц кварцевого песка и пегматита до момента вырождения кривой в
прямую линию. В этой точке, как доказано в работе [6 ], образуется первичный кластер в наполненных керамических массах. В табл. 2 приведены аналитические данные, подтверждающие образование первичного каркаса в
I
3? и
о
Б
5 3
■
С с.
о
о а
о о
а
525
г
500
475
450 525
4
500
475
450
0
10
20
30
9
5
0
10
20
30
Тонкомолотый наполнитель, %
Р с 3 Изменение электросопротивления шликериых керамических масс от содержания в них .,.»г.«м1.мт1М1я обработанного раствором жидкого стекла с различным его процентным содержанием
(¡—05%; У— 3 - 1,5 %; 4-2,0%): а - отработанный катализатор ИМ 2201;
б — технический корунд (А1203); в — шамот кл. А
исследуемых керамических массах и их - взаимосвязь с основными эксплуатационными характеристиками. Результаты экспериментов свидетельствуют, что наилучшие эксплуатационные характе-
ристики отмечаются у образцов с оптимальной структурой, отвечающей топологическим условиям: 0,076 < и < 0,16 и flt/ho=7.
I 525
г о
9
У.
О
о
<u
с;
2 s
н
о
о
u
о
о. ^
о
с
о о
-а
rt
3
500
475
450 525
500
475
450
0
10
20
30
.0
10
20
30
Тонкомолотый наполнитель, %
Р и с. 4. Изменение электросопротивления шликериых керамических масс от содержания* в них наполнителя, обработанного раствором сульфоэтаксилата с различным его процентным содержанием (1 — 0,5 %; 2 — 1,0 %; 3 — 1,5 %; 4 — 2,0 %): а — отработанный катализатор
ИМ 2201; б — технический корунд (Л1203); в — шамот кл. Л
I 525
г
т
и ■
л
с
и £
о а
Ь
о а с о
о о с.
н *
си
ц
П
1) с
V
п
3
500
475
450 525
4
500
475
450
0
10
20
30
о
10
20
30
Тонкомолотый наполнитель, У0
Рис 5 Изменение электросопротивления шликерных керамических масс от содержания в них наполнителя обработанного раствором ГКЖ с различным его процентным содержанием (1 — 0 5 у 2 — 1 0 %; 3 — 1,5 %; 4 — 2,0 %): а — отработанный катализатор ИМ 2201; б —
технический корунд (А1203); в — шамот кл. А
Из анализа рис. 2 и 3 видно, что тонкомолотые частицы кварцевого песка и пегматита со средним диаметром частиц 12 и 10 мкм обеспечивают более высокие прочностные характеристики составов, чем у „чистых" глин и као-
линов. Введение в уже полученные массы этих добавок большей фракции (до 20 мкм) способствует дальнейшему увеличению прочностных характеристик до момента вырождения кризых электросопротивления в прямую ли-
нию, когда происходит самоорганизация структуры на другом уровне — соотношение между глиняной и каолиновой составляющими и суммарной величиной полифракционных частиц при этом получается практически равным.
Естественно, что каждый оптималь-
и
ныи состав различных глин имеет свое соотношение и, соответственно, свое водосодержание. Как отмечалось выше, это связано с различными величинами поверхностной энергии у глиняных и каолиновых частиц, образующих гид-ратные оболочки неодинаковой толщины. Поэтому при замене в производственных шликерных массах одного вида каолина или глины на другой необходимо помимо традиционных расчетов учитывать происходящие в них структурные изменения с точки зрения си-
9
нергетики.
Таким образом, нами установлены закономерности влияния тонкомолотых частиц кварцевого песка и пегматита на формирование микроструктура
шликерных масс. Найдены количественные Зависимости физико-механических свойств исследуемых составов от микроструктурных показателей — вида, количества и дисперсности наполнителей, дающие возможность производить корректировку и оптимизацию составов шликеров. Предложен способ, позволяющий определять оптимальное содержание тонкомолотых частиц кварцевого песка и пегматита различных фракций в глиняных и каолиновых суспензиях по изменению удельного электросопротивления исследуемых - масс. Разработаны аналитические методы расчета топологических величин для эффективного прогнозирования и определения свойств керамических композитов в зависимости от их структурообразующих факторов. В целом разработаны основы расчетно-эксперимен-тального метода корректировки и оптимизации составов фарфорофаянсовых шликеров с точки зрения синергетики композитных материалов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Безбородой М. А. Д. И. Виноградов — создатель русского фарфора. М.: Изд-во АН СССР, 1950. 511 с.
2. Бобрышев А. Н., Козомазов В. Н., Авдеев Р. И., Соломатов В. И. Синергетика дисперсно наполненных композитов. M.: ЦК'Г, 1999. 252 с.
3. Дудеров Ю. Г. Дудеров И. Г. Расчеты по технологии керамики. М.: Стройиздат, 1973. 60 с.
4. Масленникова Г. Н., Бученкова А. Ф.
Сырьевые материалы и расчеты масс высоковольтового фарфора. М.: Ипформэлектро, 1970. 48 с.
5. Соломатов В. И. Элементы общей теории композитных строительных материалов // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. 1980. № 8. С. 62 — 70.
6. Соломатов В. И., Николин В. А. К вопросу об электропроводности фарфорофаянсовых масс // Изв. вузов. Стр-во. 1998.№ 7. С. 11 — 12.
Поступила 21.12.98.
@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@
ЭФФЕКТИВНЫЕ ПЕНОБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ БИОПЕНЫ В. И. СОЛОМАТОВ, доктор технических наук, В. Д. ЧЕРКАСОВ, доктор технических наук, В. И. БУЗУЛУКОВ, кандидат химических наук, Е. В. КИСЕЛЕВ, аспирант
Постоянное удорожание энергоносителей выдвинуло в разряд актуальных проблему энергосбережения. ' Новые
требования к повышению теплоизоляционных свойств строительных материалов вызывают необходимость расши-
© В. И. Соломатов, В. Д. Черкасов, В. И. Бузулуков, Е. В. Киселев, 1999
