автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Санитарно-строительная и бытовая керамика с использованием нетрадиционного сырья Сибирского региона

Общая характеристика работы

Технологические особенности производства санитарно-строительного фарфора.

1.1. Составы и свойства фарфора на основе традиционного сырья.

1.2. Традиционные сырьевые материалы используемые в производстве фарфора.

1.2.1. Пластичные материалы применяемые в технологии производства фарфора.

1.2.1.1. Глинистые породы.

1.2.2. Непластичные материалы.

1.2.2.1. Плавнеобразующие материалы.

1.2.3. Отощающие материалы.

1.3. Процессы протекающие в массе при обжиге санитарно-строительного фарфора.

1.4. Влияние минерализаторов на спекание, фазообразование и свойства фарфора.

1.5. Структура санитарно-строительного фарфора.

1.6. Технологические особенности производства санитарного фарфора.

1.6.1. Методы формования санитарно-строительных изделий.

1.6.2. Приготовление гипсовых форм.

1.6.3. Сушка санитарно-строительных изделий.

1.6.4. Глазурование санитарно-строительных изделий.,

1.6.5. Обжиг санитарно-строительных изделий.

1.7. Нетрадиционные сырьевые материалы используемые в производстве фарфоровых изделий.

Объекты и методы исследования.

2.1. Характеристика материалов.

2.1.1. Глинистое сырье.

2.1.2. Отощающие материалы.

2.1.3. Плавнеобразующие материалы.

2.1.4. Диопсидовые породы Южного Прибайкалья.

2.1.5. Волластонитовые породы.

2.1.6. Кварц-топазовое сырье месторождения «Копна».

2.2. Методы испытаний керамических свойств.

2.3. Методы исследований.

2.3.1. Химический анализ.

2.3.2. Микроскопический анализ.

2.3.3. Рентгенофазовый анализ.

3. Разработка составов фарфора на основе кальций-магнийсод ержащего Сырья Сибирского региона.

3.1. Влияние диопсидового сырья Слюдянского месторождения на свойства фарфора.

3.2. Разработка составов масс низкотемпературного фарфора с использованием диопсидовых пород.

3.3. Нетрадиционные сырьевые материалы в составе глазурей.

3.4. Фарфор на основе диопсид-волластонитового сырья Сибирского региона.

3.4.1. Диопсид-волластонитовый фарфор.

4. Разработка масс санитарно-строительного фаянса.

4.1. Санитарно-строительный фаянс со слюдянским диопсидом.

4.2. Майоликовые массы на основе диопсидсодержащего сырья.

4.3. Санитарно-строительный фаянс с качканарским диопсидом.

4.4. Ангобные покрытия со слю дянским диопсидом.

4.5. Перспективное глинистое сырье для тонкой керамики.

5. Использование топазосодержащей породы в технологии фарфоровых материалов.

5.1. Влияние добавок на спекание, фазообразование и свойства фарфора.

5.1.1. Поведение кальций-магниевых минерализаторов в процессе спекания.

5.1.2. Влияние топазосодержащих добавок на свойства диопсидсодержащего фарфора.

52. Санитарно-строительный фарфор с топазовой породой.

Актуальность темы.

В последнее время в области технологии керамических материалов большое внимание уделяется разработке составов керамических масс с использованием нетрадиционных сырьевых материалов. Причина заключается в следующем. Недостаток высококачественного сырья, а также возрастающая в нем потребность фарфоро-фаянсовой промышленности требуют расширения минеральной сырьевой базы. Сложившаяся в последнее время экономическая ситуация в России, а именно: потеря мощных месторождений высококачественного сырья, большие железнодорожные тарифы на перевозку сырья из отдаленных районов страны, жесткая рыночная конкуренция с наплывом импортной продукции и.т.д., заставляет предприятия переводить свое производство на региональные источники сырья, в том числе и на нетрадиционные.

Известно, что некоторые кальций-магниевые силикаты (волластонит, диопсид) могут успешно использоваться в рецептуре керамических масс, например для производства плитки, электрофарфора и др.

В то же время имеющиеся в литературе данные по практическому применению диопсидового и волластонитового сырья для производства санитарно-строительного фарфора и фаянса свидетельствуют, что в настоящее время в России диопсид-волластонитовые породы еще не нашли широкого применения, хотя на территории Российской Федерации имеются крупные месторождения этого уникального по своим свойствам керамического сырья. Ограниченность применения диопсидовых и волластонитовых пород можно объяснить как их региональной локализацией, так и недостаточной изученностью физико-химических процессов фазообразования с их участием в подобного рода массах, а также отсутствием практического опыта управления этими процессами, особенно при введении смешанных диопсид-волластонитовых пород.

То же самое относится и к такому нетрадиционному виду минерального сырья как топазовая порода месторождения «Копна» (Кемеровская область). Работы, положенные в основу диссертации, выполнялись в рамках госбюджетной темы «Разработка технологических принципов и приемов нетрадиционного использования силикатного сырья Сибири в производстве стекломатериалов, твердеющих композиций и керамических материалов», хоздоговоров с ЗАО «НПО «Урское» и с ЗАО «Сибстекло».

Цель работы.

Разработка составов масс санитарно-строительного фарфора и фаянса с применением диопсидовых, волластонитовых и топазовых пород Сибирского региона на основе исследования их влияния на фазовый состав и свойства изделий.

В соответствии с целью были поставлены и решены следующие задачи работы:

1. Разработка составов керамических масс различного назначения с использованием диопсида и при совместном введении диопсида и волластонита.

2. Исследование влияния топазовой породы на структуру и свойства санитарно-строительного фарфора с кварц-муллитовой кристаллофазой, выбор оптимальных составов.

3. Исследовние минерализующего действия добавок топазового концентрата в диопсидсодержащих фарфоровых массах.

4. Разработка глазурных и ангобных покрытий для керамики с использованием диопсида.

Научная новизна.

Установлены закономерности формирования кристаллических фаз (муллита, анортита) и свойств санитарно-строительного и низкотемпературного фарфора, фаянса, майолики при введении диопсида и диопсид-волластонитовых композиций в количествах до 35 мае. %. Введение в состав фарфоровых масс диопсида или смеси диопсида и волластонита свыше 10 мае. % приводит к образованию кристаллической фазы анортита. После обжига при 1200 ''С диопсид-волластонитсодержащих масс с содержанием кальций-магниевых силикатов около 30 мае. % фарфор имеет смешанную диопсид-волластонит-анортитовую кристаллофазу.

Установлено минерализующее действие топаза в количествах до 3 мае. % при введении его в диопсидсодержащий фарфор. Фтор-ион, вносимый топазом, способствует повышению реакционной способности стеклофазы, что приводит к снижению температуры спекания на 10-25 °С и повышению выхода кристаллических фаз - муллита и анортита.

Выявлены особенности использования топазовой породы при получении санитарно-строительного фарфора. Введение топазовой породы в количествах от 5 до 9 мас.% при высоких температурах заметно улучшает процесс муллитообразования, а увеличение ее содержания до 20 мае. % приводит к разрыхлению структуры фарфора и ухудшению его свойств.

Практическая ценность.

Доказана возможность получения низкотемпературного санитарно-строительного и хозяйственного фарфора с высокими физико-механическими характеристиками благодаря совместному введению в составы масс диопсида и волластонита. Наблюдаемое улучшение свойств объясняется как сохранением исходной армирующей кристаллофазы (диопсид, волластонит), так и образованием анортита.

Разработаны составы высококачественной майолики и низкотемпературного фаянса (1050 °С) для производства бытовой керамики.

Использование диопсида в составе глушенных и сырых фритованных глазурей позволяет снизить содержание фритты или самого глушителя.

Разработаны составы ангобного покрытия высокой степени белизны на основе диопсида.

Использование топазовой породы в качестве минерализатора или одного из компонентов фарфоровых масс снижает температуру обжига, повышает физико-механические свойства и приводит к эффекту самоглазурования.

Реализация работы.

Разработанные составы малоусадочной диопсидсодержашей майолики внедрены на ООО «Майолика» Томской области. Там же организован выпуск крупногабаритных ваз из малоусадочного фаянса низкотемпературного обжига (1050 "С).

На ЗАО «Томский завод керамических материалов и изделий» налажен выпуск майоликовых изделий из диопсид-волластонитсодержащих масс с использованием разработанных ангобных покрытий.

Апробация работы.

Диссертационная работа и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции

Актуальные проблемы строительного материаловедения», г. Томск, 1998; на Международной научно-технической конференции «Геология и проблемы освоения недр», г. Томск, 1999; на Всероссийской научно-практической конференции «Комплексное промышленное освоение месторождения «Копна», г. Кемерово, 1999; на V - ом Международном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоении недр», г. Томск, 2001 г.

Публикации.

Основное положения диссертации и ее результаты опубликованы в 17 работах, включая 4 патента.

выводы по РАБОТЕ:

1. Фазовый состав керамики и процессы формирования структуры и свойств санитарно-строительного фарфора при использовании диопсида, диопсид-волластонитовых композиций и диопсид-волластонитового кристаллосланца определяются как соотношением компонентов в массе, так и температурой обжига. При повышении температуры обжига диопсид-волластонитсодержащих масс процесс фазообразования смещается в сторону образования большего количества анортита с частичным сохранением исходных кристаллических фаз. Изменение соотношения диопсида и волластонита от 10 : 20 до 20 : 10 мае. % в составе фарфоровых масс мало сказывается на изменении свойств фарфора, что позволяет использовать в производстве диопсид-волластонитовые кристаллосланцы переменного состава.

2. Возможность получения высококачественных фаянса и майолики при использовании диопсида различных месторождений с улучшенными прочностными свойствами и пониженной усадкой связана с образованием анортита, имеющего призматический габитус и меньшую плотность в сравнении с диопсидом. Процессы фазообразования протекают практически одинаково при использовании как чистого диопсида, так и диопсида с большим (до 10 мае. %) содержанием оксида железа. Температура обжига изделий при использовании железистого диопсида на 50 °С ниже, в то же время анортитообразование и конечный уровень свойств лучше в случае использования чистого диопсида.

3. Разработанные ангобные покрытия на основе высокочистого диопсида отличаются высокой степенью белизны (> 70 %) и позволяют повысить декоративность фаянсовых и майоликовых изделий из масс, содержащих железистый диопсид. Высокие термостойкость и прочность на отрыв ангоба обусловлены сродством компонентного состава изделия и покрытия.

X/* и и и

Кристаллической основой покрытия, обуславливающей высокие светорассеивающие свойства и белизну, является диопсид.

4. Минерализующее действие топаза при введении его в диопсидсодержащий фарфор в количествах до 3 мае. % связано с действием фтор-иона, способствующего повышению реакционной способности стеклофазы и снижению температуры спекания на 10-25 °С. Повышение белизны и прочности диопсидсодержащего фарфора связано как с возрастанием закристаллизованности фарфора и равномерностью структуры, так и с ситаллизирующим действием фтор-иона на расплав.

5. Эффект самоглазурования при обжиге топазосодержащих фарфоровых масс, связан с особенностями массопереноса фтористых соединений, образующихся при разложении топаза, и их влиянием на свойства расплава.

6. Роль топаза в формировании структуры и свойств фарфора с кварц-муллитовой кристаллофазой зависит от его количества. Образующийся при разложении топаза и его перерождении муллит выступает в качестве центров кристаллизации вторичного муллита из расплава, что при введении до 9 мае. % топазового концентрата улучшает свойства фарфора. При увеличении количества вводимого топаза увеличивается доля фтористых соединений, которые не усваиваются расплавом и при выделении разрыхляют структуру фарфора, ухудшая его свойства.