Палієнко Олена Олексіївна. Особливості використання незбагачених каолінів у виробництві санітарних керамічних виробів

brief description

Палієнко Олена Олексіївна. Особливості використання незбагачених каолінів у виробництві санітарних керамічних виробів : Дис... канд. наук: 05.17.11 2007

Палієнко О.О. Особливості використання незбагачених каолінів у виробництві санітарних керамічних виробів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2007.
Дисертація присвячена визначенню особливостей кристалохімічної структури і властивостей поверхні незбагачених каолінов і розробки фарфорових мас на їх основі.
Виявлено особливості структурної будови і властивостей поверхні каолініту, та послідовно показано їх вплив на гідрофільність, каталітичну активність, реологічні та структурно-механічні характеристики коагуляційної структури шлікерних мас.
Простежено ефект підвищення міцності напівфабрикату після формування та сушки, інтенсифікації спікання в процесі випалу фарфорових мас.
Створено нові склади мас та визначено технологічні параметри, що забезпечують інтенсифікацію виробництва санітарної кераміки з використанням незбагачених каолінів родовищ України як комплексної сировини полі- функціональної дії.

У результаті виконання дисертаційної роботи вирішено важливу науково-практичну задачу-розроблено спосіб інтенсифікації технології виробництва санітарних керамічних виробів шляхом використання незбагачених лужних каолінів ( на прикладі Дубрівського родовища) в якості комплексної сировини. Внаслідок проведення системних досліджень зроблено такі висновки:
1. Встановлено, що за хіміко-мінералогічним складом дубрівский лужний каолін-сирець є сировиною поліфункціональної дії і містить в своєму складі(мас.%): каолініт 30-35, мікроклін 20-23, альбіт 2-2,5мас, мусковіт 2-3, кварц 38-42 та може бути використаний в якості основного компоненту маси для виробництва санітарних керамічних виробів. Його частки в базисі мають розмір 0,7-1,1 мкм, а по товщині 0,01-0,08 мкм.Ступінь структурної досконалості ( індекс впорядкованості по Д.Хінклі) невисокий як і
розраховано із співвідношення інтенсивностей II0 і III складає відповідно 1,0,проти 1,6 у просянівського та 1,5 у глухівецького каолінів.
12
У матеріалі з типової маси такої будови не зафіксовано. В їх структурі також є пакети глинистих частинок, але розташовуються вони або розрізнено, або за способом черепичного даху.
Отримані дані дозволяють зробити висновок, що однією з причин підвищеної механічної міцності в абсолютно-сухому стані матеріалу з досліджуючих мас полягає в особливому «ланцюжковому» розташуванні пакетів глинистих частинок. Особливу роль при цьому відіграє тонкопластинчата будова зерен каолініту, що і сприяє їх тісному контакту в межах пакету та формуванню зміцнюючих зв'язків. Виявлена блокова будова дубрівського каолініту характеризується наявністю дислокацій які і зумовлюють формування додаткових зміцнюючих зв'язків. Останні руйнуються у момент виділення координаційно зв'язаної води при 3000С, що супроводжується відповідним падінням міцності з 4,56 до 3,62 МПа. З метою підтвердження висунутого припущення були вивчені ІЧ спектри дубрівського і просянівского каолініту, що містить в інтервалі частот 3200-3800 см-1смуги поглинання (см-1): 3700, 3670, 3650, 3620.Перша з них зумовлена наявністю вільних (ОН)-груп, які знаходячись на поверхні каолініту (разом з «обірваними» зв'язками по краях частинок) і визначає його сорбційні властивості Порівняльний аналіз показав, що для дубрівского каолініту характерна більша інтенсивність смуги поглинання 3700 см-1( на 20%), ніж у просянівського, тобто кількість «вільних» гідроксилів у дубрівського каолініту більше.
Виявлено особливості структури та фазового складу санітарного фарфору з маси оптимального складу з дубрівським каоліном (КД7) порівняно з (КТ) після випалу по типовому технологічному регламенту. За результатами електроно-мікроскопіческого аналізу встановлена схожість структури КД7та КТ по розвитку голчатого муліту (муліт-II). Але у КД7голчатий муліт (в межах псевдоморфоз по польовому шпату), міститься у більшій кількості і представлений більшими кристалами розміром 0,7 мкм проти 0,1 мкм. Відмінність фазового складу санітарного фарфору з маси КД7та КТ підтверджено результатами рентгенівського кількісного аналізу. Вміст муліту відповідно складає 24% і 20%.Комплекс проведених досліджень, вказав, що процес спікання в першому випадку протікає більш інтенсивніше. Причиною більш повного спікання маси з дубрівським каоліном є по-перше те, що останній містить більше лугів порівняно з просянівським (відповідно-2,99 і 1,05 мас.%.), а по-друге недосконалість його структури є причиною формування порівняно більшої кількості аморфних продуктів, що обумовлює високу швидкість дифузії лужних іонів, і відповідно забезпечує сприятливіші умови для спікання.
Вивчення технологічних властивостей розроблених мас вказало, що вони характеризуються підвищеною механічною міцністю в абсолютно-сухому стані (4,44 проти 2,68), для них характерно повне спікання при температурі 12500С (водопоглинання дорівнює нулю). Випалені вироби характеризувалися підвищеною порівняно з виробничою масою термічною стійкістю (кількість теплозмін 14 проти 2), що є однією з важливою експлуатаційною характеристикою санітарних керамічних виробів (табл.4).
9
Воларовичу () 17,7 18,5 с-1,величина тиксотропного зміцнення (1,4 1,2), які забезпечують нормальне ведення технологічного процесу і отримання напівфабрикату із заданими механічними властивостями і структурою. Вказані критерії були прийняті за основу при порівнянні реологічних показників мас складу КД1-КД7, з типовою масою КТ.
Наприклад, маса складу КД7характеризується наявністю гістерезисних петель, направлених за годинниковою стрілкою, як і у випадку для типової КТ (рис. 2). Отже за рахунок зменшення колоїдно-дисперсної фракції тиксотропія маси КД7знизилась, про що свідчить менша площа петель гістерезису та зміни значень реологічних характеристик мас. Пояснюється це наявністю пружних властивостей у коагуляційної структури маси складу КД7, що викликано пониженим вмістом глинистих матеріалів та інтенсивнішим руйнуванням структурного каркаса маси складу КД7в порівнянні з типовою масою КТ.
(а) (б)
Рис.2 Залежність ефективної в'язкості і швидкості деформації від напруги зсуву для мас КТ (а) і КД7( б) (ряд 1 руйнування структури; ряд 2 відновлення структури)
Оптимізація реологічних характеристик досліджувальних мас без погіршення литтьових та фільтраційних властивостей здійснювалась шляхом впливу на первину коагуляційну структуру шлікеру на початковому етапі структуроутворення додатком комбінацій наступних речовин: (сода+рідке скло+танін, сода+рідке скло+вуглелужний реагент, сода+рідке скло+метакрил-14 (співполімер метакрилової кислоти і метакриламіда).
Визначення оптимального вмісту розріджувачів проводилась з використанням методу математичного планування експерименту.
10
Математична обробка отриманих результатів дозволила встановити оптимальну комбінацію додатків.
Наприклад, для складу маси КД7, який був обраний в якості оптимального найбільш ефективне введення додатку в такій комбінації : сода-0,07 мас.%+рідке скло-0,15мас.%+метакрил-14-0,01мас.%, що сприяє зниженню, Рк2з 5,0 до 4,1Па ,m* з 0,27 до 0,23,Пас, з 18,5 до18,1с-1таз 1,25 до 1,2
а)
б)
Рис.3 Ізопараметричні діаграми зміни показників: опіру осаду фільтрації (а), фільтрувальності (б) для маси складу КД7в залежності від витрати метакрила-14 при варіюванні вмісту соди і рідкого скла.
11
Застосування реологічних критеріїв та керованого впливу за допомогою роздріжувачів дозволило оптимізувати склади мас з використанням каоліну- сирцю. Розроблені склади відповідають критеріям якості, визначених для типової маси (рис.3).
У п’ятому розділірозглянуті особливості формування конденсаційної структури кераміки із мас на основі каоліну-сирцю в процесі сушки та випалу. Встановлено, що розроблені маси мають значно вищу, порівняно з типовою, межу міцності при вигині ( у випадку КД74,44 проти 2,68 МПа), що сприяє зниженню браку після підв’ялки і транспортуванні, а також при подальших до випалу операціях. З метою вивчення обставин, що приводять до збільшення міцності була дослідження її зміна для мас КД7та КТ, після обробки при температурах в інтервалі 20-5500С (табл.3).
Таблиця 3
Межа міцності при згині (МПа) мас КТ та КД7після термообробки
Отримані дані свідчать про те (табл.3) ,що в повітряно-сухому стані міцність при вигині маси КД7вища на 39%,ніж у маси КТ. Показано, що міцність матеріалів з маси КД7досягає максимуму при 150-2000С (4,56 МПа), після чого зменшується до 3,62 МПа (3000С), а потім знову зростає до 4,83 МПа (5500С). У випадку маси КТ фіксується монотонне зростання міцності з 2,68 до 3,91 МПа. Для з’ясування причини такого явища було проведене електронно-мікроскопічне дослідження структури (текстури) відлитих матеріалів з мас КД7і КТ. Встановлено, що для маси з дубріським каоліном характерна наявність тісно стислих пакетів глинистих частинок, товщиною 1-5 мкм, які розташовуються орієнтовано, утворюючи агрегати у вигляді ланцюжків (рис.4).
(а) (б)