CC BY
13
УДК 666.51
Ионова М.С., Захаров А.И.
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА ПОЛУФАРФОРА
Ионова Мария Сергеевна - бакалавр 4-го года обучения кафедры общей технологии силикатов; ionova_1999@list.ru.
Захаров Александр Иванович - доктор химических наук, заведующий кафедрой общей технологии силикатов; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, ул. Героев Панфиловцев, д.20.
В статье рассмотрены способы, позволяющие повысить механическую прочность полуфарфора за счет введения комплексных добавок. Выявлено, что определенные соотношения некоторых минеральных добавок -силикатов, карбонатов и оксидов, приводят к снижению усадки и повышению прочностных характеристик, а также к снижению температуры обжига по сравнению с материалом без добавок Ключевые слова: керамика, полуфарфор, механическая прочность
ADDITIVES INFLUENCE ON THE PROPERTIES OF SEMI-PORCELAIN
Ionova M.S., Zakharov A.I.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses ways to increase the mechanical strength of semi-porcelain by introducing complex additives. It was revealed that certain ratios of some mineral additives - silicates, carbonates and oxides, lead to a decrease in shrinkage and an increase in strength characteristics, as well as to a decrease in the firing temperature in comparison with the material without additives.
Key words: ceramics, semi-porcelain, mechanical strength
Хозяйственно-бытовая керамика изготавливается из таких материалов, как майолика, фаянс, твердый и мягкий фарфор, а также полуфарфор. Различные виды фарфорофаянсовых изделий изготовляют
преимущественно из беложгущихся природных материалов, в том числе пластичных компонентов (каолин, глины), отощителей (кварц, дробленый брак) и плавней (пегматит, полевые шпаты и др.). Тип керамики определяется соотношением фаз, их механической обработкой, особенно тонкостью помола, составом используемых глазурей, длительностью и температурой обжига [1].
Полуфарфор активно применяется для производства бытовых предметов и посуды, а по составу и характеристикам занимает среднее положение между фарфором и фаянсом, приближаясь к фарфору. Готовые изделия, выполненные из него, принято покрывать глазурью за недостаточной степенью белизны и повышенным, по сравнению с фарфором, водопоглощением. В состав полуфарфора входят 45-55% глинистых материалов, 23 - 28% кварца и около 10 % полевого шпата.
Фаянсовые, майоликовые и полуфарфоровые изделия обладают высокими значениями пористости, газо- и паропроницаемости, а также у них отсутствует просвечиваемость в тонком слое. Материал уступает как мягкому, так и твердому фарфору по своим физическим и эстетическим свойствам, однако его преимуществом является меньшая требуемая температура обжига, а как следствие, меньшая себестоимость производства.
Научные работы по улучшению характеристик полуфарфора ведутся в таких направлениях, как увеличение степени белизны материала, его механической прочности, химической стойкости,
реологических свойств, снижение температуры спекания.
Цель настоящего исследования - улучшение характеристик материала за счет введения оксидов, карбонатов и силикатов в качестве комплексных добавок в исходную массу полуфарфора.
В качестве объекта исследования была взята масса марки ПФЛ-2, представляющая собой порошкообразный продукт, предназначенный для изготовления полуфарфоровых изделий методом шликерного литья в гипсовые формы [2] и характеризующаяся свойствами, приведенными в таблице 1.
Таблица 1. Керамико-физические свойства
литейной массы
Массовая доля влаги, % не более 6,0
Остаток на сите 63 мкм, % не более 2,0
Потребность в дефлокулянте, % не более 0,35
Предел прочности в сухом состоянии, МПа не менее 3,0
Общая усадка, % не более 13,0
Водопоглощение (1280°С), % не более 3,0
Рекомендуемая температура обжига, оС 1240-1280
В ходе работы было исследовано влияние добавок оксидов кремния, алюминия, а также силикатов и карбонатов щелочноземельных металлов на свойства полуфарфора.
В работах [3-6] были проведены эксперименты, подтверждающие повышение прочностных характеристик материала и снижение его температуры спекания при введении добавок
волластонита, диопсида в фарфоровую массу как по-отдельности, так и комплексно в количествах от 3 % до 40%.
Известны исследования [7], в которых прочность мягкого костяного фарфора, используемого для изготовления сервизных изделий, предметов декоративно-художественного и хозяйственно-бытового назначения, скульптуры повышалась на 10% при помощи введения таких дополнительных компонентов, как волластонит в количестве 15-25%.
Положительное влияние на механическую прочность фарфора, прежде всего, оказывает муллит, что подтверждается работами П.П. Будникова, Х.О. Геворкяна [8]. Увеличение общего содержания муллита в фарфоре может быть достигнуто повышением содержания глинистых составляющих либо дополнительным введением в массу АЬОз [9], который, вступая в реакцию с кремнеземом, образует муллит.
Исходя из анализа литературы были выбраны добавки и составлены следующие исходные смеси. Состав под номером 1 представляет собой полуфарфор без добавок, в составы 2-4 введены добавки карбонатов и силикатов щелочноземельных элементов по-отдельности для изучения их независимого влияния, образцы 5-9 представляют собой комплекс из вышеуказанных добавок, общее количество которых составило 20% от общей массы смеси, в составах 10-12 это значение было повышено до 40%. Оксид алюминия был введен в составы 5-12, оксид кремния присутствует в составах 4, 5, 8, 9, 11, 12.
Испытываемые образцы представляли собой прямоугольные балки размером 40х15х10 мм. Первый обжиг проходил при максимальной температуре 1000 С с часовой выдержкой. Затем часть образцов покрывалась высокотемпературными глазурями.
Изначально политой обжиг проводился при рекомендованной для исходной массы температуре в 1250 С, однако в дальнейшем для некоторых составов она была снижена до 1220 С.
В рамках исследования проводился анализ таких характеристик, как воздушная и огневая усадка, водопоглощение, пористость и плотность, а также механическая прочность при изгибе и ударе.
Данные усадки исходного материала и 11 разработанных составов с добавками приведены на рисунке 1.
Образцы всех составов после политого обжига обладают меньшими значениями усадки по сравнению с исходной массой кроме номера 8, который помимо высокой усадки обладал значительной деформацией. Из чего был сделан вывод о произошедшем пережоге и необходимости понижения температуры обжига для этого состава.
Полуфарфоровые изделия характеризуются значительной пористостью. Однако было отмечено, что изменение состава массы привело к увеличению значений плотности черепка, что, как следствие, позволяет улучшить его эксплуатационные данные.
Результаты характеристик водопоглощения, пористости, плотности образцов после второго обжига приведены на рисунке 2.
20
15 10
га х 5 га
и >
к
I
о О
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1000 ■ 1250
Рис. 1 Значения усадки образцов от введенных добавок после обжига при температурах обжига 1000 и 1250 °С
30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0.00
»л 1
I
и
л
.0
1
9 10 11 12
' Плотность. г/смЗ Пористость. %
□ Водопоглогцение. %
Рис. 2 Значения плотности, водопоглощения и пористости модифицированного полуфарфора
Определение механической прочности образцов на изгиб проводили методом трехточечного изгиба, механической ударной прочности - на маятниковом копре. Результаты проведенных испытаний отражены на рисунках 3 и 4.
90
«о
я 80
и
Я 70
«
Я 60
я
н _ о й 50
о С
я 0 я А 40
о & 30
Е 20
10
о.
р 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Без глазури ■ С глазурью
Рис. 3 Значения прочности на изгиб образцов разработанных составов
Половина испытанных образцов разработанных составов имеет прочность, превышающую исходные значения для ПФЛ-2. Составы, характеризующиеся неудовлетворительными показателями, содержали в качестве добавок оксиды алюминия и кремния.
£
£ К Ж К н
О гч
о -Я ® ¡й о Ч.
а
Рис.
250 200 150 100 50
7 8 9 10 11 12
4 Значения ударной прочности глазурованных образцов разработанных составов
Наибольшие показатели прочности наблюдаются у образцов под номерами 4, 7, 8, 11, в составе которых
присутствуют карбонаты и силикаты щелочноземельных элементов.
Образцы 4 и 7 состава имеют схожие значения усадки (~10,5%), а также волопоглощения (6% и 4% соответственно). Значение предела прочности при изгибе этих составов с глазурью и без нее отличается незначительно и составляет в среднем 60 МПа, что в 1,5 раз превышает прочность полуфарфора исходного состава.
Исследуя свойства самых прочных образцов, следует отметить, что образцы 11 состава обладают большой общей усадкой (14,5%), а образцы 8 состава претерпевают сильную деформацию в процессе политого обжига.
Было решено детальнее изучить состав под номером 8, так как его прочностные характеристики превосходят остальные составы. Причиной сильной деформации при обжиге до 1250 С может служить пережог массы, которая за счет введенных добавок понизила свою температуру спекания. Поэтому повторно отлитые образцы обожгли при температуре 1220°С.
В таблице 2 приведены значения предела прочности исходного состава 1 и состава 8.
Таблица 2. Сравнение свойств обычного и модифицированного полуфарфора
Состав Общая усадка, Водопоглощение, Прочность на изгиб, Прочность на удар,
% % МПа Дж/м2
1 14,7 7,9 42,5 113
8 14,2 3,7 66 153,5
Таким образом, в ходе проведенной работы были получены составы полуфарфора, характеристики которого были улучшены за счет введения в состав добавок оксидов алюминия и кремния, а также силикатов и карбонатов щелочноземельных элементов.
Введение добавок оксидов, потенциально повышающих прочность, в количествах больше 10% и 5% соответственно не позволяет осуществить спекание материала при выбранных температурах. Комплексность использования добавок позволила увеличить прочность материала на 25 %, не увеличивая температуру обжига. Также добавки не изменили степень белизны материала, оставив ее на требуемом уровне, и послужили причиной снижения общей усадки и водопоглощения.
Список литературы
1. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / ред. И.Я. Гузман. — М.: Стройматериалы, 2012. — 496 с.
2. Полуфарфор. [Электронный ресурс]: офиц. сайт. Украина, - Режим доступа: https://dcb.com.Ua/ru/semi-porcelain#pfl-2 Дата обращения: 16.05.2021.
3. Влияние добавок на температуру обжига и на свойства электротехнического фарфора (обзор).
Касмамытов Н.К., Календеров А.Ж. Евразийское Научное Объединение. 2020. № 1-1 (59). С. 40-45.
4. Керамическая масса. Погребенков В.М., Решетников А.А., Верещагин В.И. Патент на изобретение RU 2136627 С1, 10.09.1999. Заявка № 97122196/03 от 23.12.1997.
5. Использование волластонита и диопсидита южного прибайкалья в массах хозяйственного фарфора и фаянса. Оборина М.А. автореферат дис. кандидата технических наук / Иркутский гос. технич. ун-т. Томск, 1998. - 5-11 с.
6. Керамическая масса для изготовления электротехнического фарфора. Козловский Л.В., Москалев В.И., Смирнов Г.В., Сучкова Н.В., Окунева Н.Р. Авторское свидетельство SU 1284969 А1, 23.01.1987. Заявка № 3889570 от 23.04.1985.
7. Мягкий фарфор на основе слюдяного волластонита. Майорова Е.В. автореферат дис. кандидата технических наук / Иркутский техн. ун-т. Томск, 1998. - 5- 9 с.
8. Будников П.П. Обжиг фарфора / П.П. Будников, Х.О. Геворкян. М.: Стройиздат, 1972. 112 с.
9. Шихта для изготовления фарфоровых изоляторов: Патент SU 1379284, СССР, МПК С04В33/26, Ф.Х. Таджиев, Р. Исматова, Т.Т. Абдиходжаев; Заявка 86-07-14, опубл. 88-03-07.
