Способ окрашивания керамических изделий

 

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для окрашивания керамических изделий, преимущественно лицевого кирпича, в светлые тона. Способ окрашивания лицевого кирпича состоит в нанесении на поверхность изделия суспензии, представляющей собой взвесь нерастворимых цинкосодержащих окрашивающих соединений в водном растворе клеящего вещества. Окрашивание поверхностного слоя изделия в светлые тона происходит в процессе обжига изделия за счет химического взаимодействия цинкосодержащего соединения с окислами железа в поверхностном слое изделия, с образованием соединения типа шпинелей светлых тонов. Способ окрашивания керамических изделий обеспечивает качественное окрашивание в светлые тона без усложнения и удлинения технологического процесса изготовления кирпича. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для окрашивания керамических изделий, преимущественно лицевого кирпича, в светлые тона.

Известны способы объемного окрашивания лицевого кирпича металлическими рудами и окислами металлов путем их введения в шихту в сухом порошкообразном виде или в виде шликера [1]. Наибольшее распространение в данном способе в качестве добавок получили марганцевая руда, двуокись марганца, железная руда, окись железа, хромитовая руда, в частности хромит железа, а для получения светлых тонов - двуокись титана и карбонат кальция.

Недостатками известных способов являются высокие материальные затраты, связанные с потреблением большого количества добавок, необходимых для окрашивания всей шихты: низкое качество окрашивания, наличие на поверхности кирпича пятен, образование которых связано с пластическими свойствами глины и трудностью получения гомогенной массы на основе глины.

Известен способ нанесения цветного покрытия за счет выполнения кирпича двухслойным с формированием основного бруса из обычной шихты и нанесением поверхностного слоя толщиной 3-6 мм из лицевой массы на основе светло-жгущейся глины с добавлением кварцевого стекла, в которую для придания изделию оттенков вводят красители, в частности двуокись марганца, окись хрома, окись кобальта, двуокись титана и др. окислы металлов [2].

Двухслойный кирпич формируют на ленточном вакуум-прессе, а лицевой слой наносят с помощью второго ленточного пресса или методом вибрации в виброкамере.

Шихту для лицевого слоя приготавливают шликерным способом с тщательным измельчением и смешиванием компонентов.

Способ позволяет значительно сократить расход красителей.

Недостатками известного способа являются сложный и трудоемкий, требующий специального оборудования процесс подготовки лицевой массы, нанесения массы на брус, недостаточно высокие прочностные характеристики, наличие тенденции лицевого слоя к отслаиванию при перепадах температур, низкая ударная прочность и т.п.

Аналогично способу [2] преимуществами и недостатками характеризуется способ получения ангобированного кирпича путем нанесения на сырец ангоба - тонкого слоя из шихты на основе беложгущейся или цветной глины со стеклобоем, песком, красителями и т.п. [3].

Известен способ окрашивания лицевого кирпича внедрением в его поверхностный слой минеральных солей и окислов металлов в процессе обжига в печи, путем подачи их в топку и протягивания через садку кирпича печными газами [4].

Недостатками известного способа являются низкое качество окрашивания изделий, связанное с неравномерностью обтекания садки с кирпичом пламенем и газами печи, трудность управления процессом и загрязнение окружающей среды.

Известен способ окрашивания лицевого кирпича путем пропитки поверхностного слоя сухого кирпича-сырца водным раствором соли или окисла металла с последующей повторной сушкой и обжигом [5].

Поверхностный слой сухого кирпича обладает достаточно хорошей впитывающей способностью, что позволяет с минимальными затратами красителей путем опрыскивания, окунания или облива заготовок пропитывать поверхностный слой водным раствором красителей, который в процессе обжига при реакции с красителями приобретает нужную окраску.

Недостатками известного способа являются усложнение и удлинение технологического процесса и необходимость дополнительного оборудования, связанные с установкой устройства для пропитки перед печью для обжига и транспортировкой пропитанных заготовок назад на вход сушильной камеры; неравномерность окрашивания, связанная с неравномерностью впитывания водного раствора красителей из-за неравномерной плотности глиняной массы в поверхностном слое.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ окрашивания керамических изделий, в частности лицевого кирпича, путем нанесения на поверхность свежеотформованного изделия окрашивающего состава, его сушки и обжига [6]. В данном способе на поверхность изделий наносят солевой раствор, в который введено поверхностно-активное вещество (ПАВ). ПАВ способствует лучшему смачиванию глиняного бруса, выходящего из мундштука пресса, окрашивающим раствором и впитыванию раствора в брус.

Кроме того, при добавлении ПАВ окрашивающее водорастворимое вещество закрепляется в поверхностном слое. В качестве окрашивающих соединений используют хлорид марганца и сульфат марганца, а в качестве ПАВ натриевую соль карбоксиметалцеллюлозы (КМЦ).

Известный способ позволяет обеспечить качественное окрашивание керамических изделий без усложнения и удлинения технологического процесса в темные тона (коричневые, темно-коричневые).

Недостатками известного способа окрашивания керамических изделий, в частности лицевого кирпича, является то, что при поверхностном окрашивании изделий водными растворами окрашивающих соединений (солей и т.д.) с добавлением ПАВ, наносимого на свежесформированное изделие, достаточно сложно создать в поверхностном слое изделия концентрацию окрашивающего реагента, обеспечивающую получение изделий светлых тонов. Это в особенности сложно для глины с высоким содержанием окиси железа, так как при поверхностном химическом окрашивании керамических изделий, изменение цвета достигается в результате химического взаимодействия Fe₂O₃, содержащегося в изделии, и окрашивающего соединения.

Пользуясь такой технологией, не нарушая экономичность способа, можно получить в основном более темные тона, до черного. Можно получить тона и более светлые, чем цвет основного черепка, но при этом требуется введение значительно большего количества окрашивающих соединений. Сложность заключается в том, что концентрация окрашивающего соединения в растворе ограничивается его растворимостью. Для предотвращения миграции окрашивающего соединения из поверхностного слоя в тело изделия при сушке требуется высокая концентрация ПАВ, что, например, в случае использования в качестве ПАВ натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) приводит к увеличению вязкости растворов и работа с ними затрудняется. Все вышеуказанное делает практически невозможным получать изделия светлых тонов с помощью известного способа.

Задачей изобретения является разработка способа окрашивания керамических изделий, в частности лицевого кирпича, нанесением на поверхность свежеотформованного изделия окрашивающего состава, который обеспечил бы стабильное и качественное окрашивание изделий в светлые тона без усложнения и удлинения технологического процесса и больших экономических затрат.

Поставленная задача решается за счет того, что при использовании признаков известного способа окрашивания керамических изделий, в частности, лицевого кирпича, путем нанесения на поверхность свежеотформованного изделия окрашивающего состава, его сушки и обжига, в соответствии с изобретением окрашивание осуществляют путем нанесения на поверхность изделия суспензии, представляющей собой взвесь нерастворимых цинкосодержащих окрашивающих соединений в водном растворе клеящего вещества, при этом цинкосодержащие соединения в процессе обжига вступают в химическое взаимодействие с окислами железа в поверхностном слое изделия с образованием соединений типа шпинелей, светлых тонов.

В качестве цинкосодержащих окрашивающих соединений могут применяться арсенид цинка, гидроксид цинка, оксид цинка, карбонат цинка, нерастворимые в воде органические соединения цинка и другие.

В качестве клеящих веществ могут применяться водные растворы поливинилового спирта, метилцеллюлозы, оксиэтилцеллюлозы, водные дисперсии полимеров, мучной и крахмальный клейстеры и т.д.

Возможный вариант для окрашивания лицевого кирпича из кембрийской глины с получением светло-желтых и желтых оттенков цветов предполагает облив свежеотформованного глиняного бруса суспензией фтористого цинка (ZnF₂) в водном растворе натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в качестве клеящего вещества, содержащей, мас.%: КМЦ - 0,5-6,0 ZnF₂ - 5,0-40,0 H₂O - Остальное Предложенный способ окрашивания керамических изделий заключается в том, что на поверхность свежеотформованного изделия наносят суспензию нерастворимого цинкосодержащего окрашивающего соединения в водном растворе клеящего вещества, в частности КМЦ. В процессе обжига в зоне высоких температур цинкосодержащие соединения вступают в химическое взаимодействие с окисью железа, содержащейся в поверхностном слое. В результате этого взаимодействия в поверхностном слое образуются цинк-железистые соединения, имеющие структуру шпинелей и светло-желтый цвет, таким образом поверхность изделия окрашивается в светлый цвет. Использование в качестве одного из компонентов суспензии водного раствора клеящего вещества, в частности КМЦ, предотвращает преждевременное расслоение суспензии, а также обеспечивает закрепление нерастворимого цинкосодержащего соединения на поверхности высушенного изделия сырца. КМЦ является поверхностно-активным веществом и способствует быстрому впитыванию жидкой фазы суспензии в тело изделий. При этом все неровности поверхности, каверны, поры, капилляры заполняются мелкими частицами дисперсной фазы суспензии, что увеличивает поверхность контакта между поверхностью изделия и нанесенным окрашивающим составом. При высыхании происходит уплотнение нанесенного слоя. Таким образом улучшаются условия для последующего химического взаимодействия при обжиге.

Выбор КМЦ определяется ее свойствами и практикой применения в производстве керамических изделий.

Выбор фтористого цинка в качестве окрашивающего соединения, а также состав суспензии определяется их эффективностью, подтверждаемой практикой их использования для керамических изделий при окрашивании.

Процесс приготовления суспензии нерастворимого цинкосодержащего окрашивающего соединения в водном растворе КМЦ заключается в измельчении (при необходимости) 100% цинкосодержащего соединения, смешанного с 40% воды в шаровой мельнице. Тонина помола должна соответствовать прохождению частиц через сито N 0085 без остатка. Измельченное цинкосодержащее соединение смешивается с водным раствором КМЦ, полученным путем замачивания 100% КМЦ, а 60% воды с температурой, равной 20^oC, на 5-6 часов для набухания, с регулярным перемешиванием.

Более подробно заявленное техническое решение рассматривается на примере его выполнения.

Окрашивание производили при изготовлении лицевого кирпича из кембрийской глины в соответствии с технологическим процессом, включающим приготовление шихты из глины, приготовление суспензии для поверхностной обработки заготовок, формование глиняного бруса в вакуум-прессе, нанесение суспензии на глиняный брус путем облива его с помощью наносного аппарата, резку бруса на кирпичи с помощью струнного аппарата, сушки отформованного кирпича в туннельной сушилке при температуре до 90^oC, обжиг кирпича в туннельной печи при температуре до 950 - 970^oC.

Облив производили суспензией фтористого цинка в водном растворе натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в качестве клеящего вещества.

1. При обливе суспензии, содержащей, мас.%: КМЦ - 1,38 ZnF₂ - 12,9 H₂O - Оостальное после сушки и обжига получали окраску изделия желтого цвета.

2. При обливе изделия суспензией, содержащей, мас.%: КМЦ - 2,3
ZnF₂ - 19,5
H₂O - Остальное
после сушки и обжига получали светло-желтую окраску.

При использовании окрашивающего состава, содержащего, мас.%:
Крахмал - 1,0-12,0
Карбонат цинка - 6,0-48,0
Вода - Остальное
или
Поливиниловый спирт - 5,0-30,0
Арсенид цинка - 5,5-44,0
Вода - Остальное
или
Дисперсия поливинилацетата (ПВА) - 30,0-70,0
Гидроксид цинка - 4,5-40,0
Вода - Остальное
получаются оттенки цветов от светло-желтого до желтого.

Предложенный способ окрашивания керамических изделий предполагает использование нерастворимых цинкосодержащих окрашивающих соединений, которые при высоких температурах обжига, более 800^oC, взаимодействуют с окислами железа, содержащимися в поверхностном слое изделия, с образованием окрашивающих соединений типа шпинелей, имеющих светлые тона, например желтый, светло-желтый и т.д. В данном случае исключается нежелательная миграция окрашивающего соединения в тело изделия и ограничение его концентрации растворимостью.

Во всех случаях имело место равномерное окрашивание поверхности в светлые тона.

Разрушение образцов показало проникновение красителей в поверхностный слой на глубину до 1 мм.

Для облика использовали насосный аппарат, применяемый для пропитки поверхностного слоя веществом, предотвращающим высолы.

Предложенный способ окрашивания керамических изделий, в частности лицевого кирпича, позволяет производить стабильное и качественное окрашивание изделий в светлые тона без дополнительного оборудования, нарушения обычного технологического процесса и больших экономических затрат.

Заявляемое техническое решение полностью выполняет задачу, стоящую перед изобретением.

Заявляемое техническое решение с характеризующими его отличительными признаками на настоящее время в Российской Федерации и за границей не известно и отвечает требованиям критерия "новизна".

Заявляемое техническое решение является оригинальным, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники и отвечает требованиям критерия "изобретательский уровень".

Заявляемый способ может быть реализован в условиях серийного промышленного производства с использованием известных технических средств технологии и материалов и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".

Список литературы
1. И.А. Альперович "Производство лицевого глиняного кирпича". Обзор М., ВНИИЭСМ, 1978, стр. 19-26.

2. "Производство двухслойного облицовочного кирпича". Техническая информация, серия "Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей", М., ВНИИЭСМ, 1974, вып. 1.

3. А.с. СССР N 1244134, МКИ: C 04 B 41/86, 1986.

4. "Окрашивание кирпича газовым пламенем". Р.Ж. "Химия", М., ВИНИТИ, 1957, 23943.

5. "Способ производства цветного лицевого кирпича". Реферативная информация, серия "Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей". М., ВУПВДЭСМ, 1979, вып. 9, стр. 31.

6. Патент RU N 2130443, МКИ⁶: C 04 B 41/50, 33/14, 1999 г. - прототип.

Формула изобретения

1. Способ окрашивания керамических изделий, в частности лицевого кирпича, путем нанесения на поверхность свежеотформованного изделия окрашивающего состава, представляющего собой суспензию окрашивающего соединения в водном растворе клеящего вещества, его сушки и обжига, отличающийся тем, что в качестве окрашивающего соединения используют взвесь нерастворимых цинкосодержащих соединений, вступающих в процессе обжига в химическое взаимодействие с окислами железа в поверхностном слое изделия с образованием соединений типа шпинелей светлых тонов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окрашивание лицевого кирпича из кембрийской глины производят обливом свежеотформованного глиняного бруса суспензией фтористого цинка в водном растворе натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы в качестве клеящего вещества, при этом для получения оттенков цветов светло-желтого, желтого используют суспензию, содержащую, мас.%:
Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы - 0,5 - 6,0
ZnF₂ - 5,0 - 40,0
Н₂О - Остальное