Способ изготовления стеновых керамических изделий

Изобретение относится к стеновой и облицовочной керамике и может быть использовано при производстве теплоизоляционных и декоративных материалов - плиток, блоков, стеновых панелей и др. Способ изготовления стеновых керамических изделий включает измельчение глинистого компонента, введение крупки пеностекла с размером зерен 0,1-5,0 мм, предварительно обработанной гидрофобизатором до приобретения ею сглаженной поверхности, увлажнение и пластификацию формовочной массы, формование заготовок полусухим методом прессования, сушку и обжиг. Соотношение компонентов в формовочной массе, мас.%: гидрофобизированная крупка пеностекла 5...70, глинистый компонент - остальное, при этом количество гидрофобизатора составляет 0,1...10% от массы крупки. Формование заготовок полусухим методом прессования осуществляют при удельном давлении от 4 МПа. Гидрофобизированная крупка может иметь яйцевидную или сферическую формы. Технический результат: снижение теплопроводности и уменьшение плотности стеновых керамических изделий при сохранении их прочности.1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к стеновой и облицовочной керамике и может быть использовано при производстве теплоизоляционных и декоративных материалов - плиток, кирпича, блоков, стеновых панелей и др.

Известен способ изготовления керамических изделий, включающий измельчение глинистого сланца и стеклосодержащего компонента, введение извести, перемешивание, увлажнение полученной смеси 5-10%-ным раствором щелочи, формование заготовок при удельном давлении 15-20 МПа, сушку их до влажности менее 1% и последующий обжиг при 750-800°С и выдержке при ней 1-3 ч [1].

Недостатками способа являются: высокий коэффициент теплопроводности (0,68...0,72 Вт/м·К), что обуславливает увеличение расхода строительных материалов в строительстве; высокая плотность (1520...1580 кг/м³), что требует увеличения затрат материалов на стадии изготовления и, как следствие этого, утяжеляет массу стеновых конструкций, что ухудшает технологические и эксплуатационные характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ изготовления стеновых керамических изделий, заключающийся в измельчении сухого глинистого сырья до прохождения через сито 1 мм, дозировке его, добавлении крупки пеностекла с размером зерен 0,1-2,5 мм в соотношении по сухой массе 5-60 мас.%; смесь сухих компонентов увлажняют 5% водным раствором сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ) до влажности 10%, перемешивании до однородного состояния. Смесь формуют методом полусухого прессования под давлением 10 МПа. Изделия высушивают до остаточной влажности 0,5...2%, а затем обжигают при температуре 900...950°С с изотермической выдержкой 2 ч [2].

Недостатками прототипа являются: высокий коэффициент теплопроводности и повышенная плотность получаемых стеновых керамических изделий.

Предлагаемое решение направлено на снижение теплопроводности и уменьшение плотности стеновых керамических изделий при сохранении их прочности.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления стеновых керамических изделий, включающем измельчение глинистого компонента, введение крупки пеностекла, увлажнение и пластификацию формовочной массы, формование заготовок полусухим методом прессования, сушку и обжиг, согласно предлагаемому решению пластификацию формовочной массы осуществляют введением указанной крупки пеностекла с размером зерен 0,1-5,0 мм, предварительно обработанной гидрофобизатором до приобретения ею сглаженной поверхности при следующем соотношении компонентов, мас.%:

гидрофобизированная крупка пеностекла	5...70
глинистый компонент	остальное,

при этом количество гидрофобизатора составляет 1...10% от массы крупки, а формование заготовок полусухим методом прессования ведут при давлении от 4 МПа.

Сглаженная гидрофобизатором поверхность крупки пеностекла может иметь сферическую или яйцевидную формы.

Сравнение заявляемого способа с прототипом позволило установить, что предлагаемое решение отличается введением предварительно обработанной гидрофобизатором крупки пеностекла, имеющей размеры зерен 0,1-5,0 мм и сглаженную поверхность, при этом количество гидрофобизатора составляет 0,1...10,0% от массы крупки. Введение предлагаемой крупки позволяет одновременно пластифицировать смесь, а также уменьшить величину давления прессования до 4 МПа. Таким образом предлагаемое решение обладает критерием «новизна».

При изучении других технических решений использование предложенной авторами гидрофобизированной крупки пеностекла не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».

Характеристика компонентов массы:

1. В качестве глинистого компонента использовались:

а) тугоплавкая глина Лукошкинского месторождения. ТУ 21-4434-84. Огнеупорность 1430...1570°С. Пластичность 9-12. Цвет после обжига красный. Химический состав глины Лукошкинского месторождения приведен в табл.1.

б) легкоплавкая глина (суглинки) Тульской области. Огнеупорность 1200...1230°С. Пластичность 17. Цвет после обжига светло-красный. Химический состав суглинка Тульской области представлен в табл.1.

2. Пеностекло по ТУ 5914-003-02066339-98 "Материалы и изделия строительные теплоизоляционные", произведено в БГТУ (г.Белгород). Исходное пеностекло плотностью 150...200 кг/м³ дробили в щековой дробилке и просеивали сквозь сито с диаметром отверстий 5 мм. Остаток на сите дробили и вновь дополнительно просеивали на сите с диаметром отверстий 5 мм. Для удаления пылевидных фракций дробленое пеностекло, прошедшее сквозь сито 5 мм, помещали на сито с размером ячеек 0,1 мм и вибрировали до прекращения просыпи пыли. Таким образом, в заявляемом составе сырьевой смеси использовали крупку пеностекла размером 0,1...5 мм и насыпной плотностью 350 кг/м³. Для приготовления крупки можно использовать обрезки и бой блоков пеностекла. Химический состав пеностекла приведен в табл.1.

3. В качестве гидрофобизатора поверхности крупки пеностекла использовали парафин нефтяной марки П-2 (ГОСТ 23683-89) в расплавленном состоянии. Толщина парафинового слоя на поверхности крупки пеностекла зависит от вязкости парафинового расплава. Вязкость парафинового расплава в большой степени зависит от температуры. Таким образом, меняя температуру парафинового расплава, можно регулировать толщину гидрофобной пленки на частицах пеностекла с целью получения наиболее скатанной ровной поверхности гранул, позволяющих в дальнейшем сформировать сферические и округлые поры в массе готового изделия. При использовании мелкопористой крупки пеностекла с минимальными неровностями поверхности можно наносить очень тонкие пленки с малым расходом гидрофобизатора (смесь 3), при этом расплав парафина разбавляют органическим растворителем - ксилолом (ТУ 6-09-2438-77) в соотношении 1:1. В качестве органического растворителя можно использовать также керосин, бензин, ацетон, этиловый спирт и др., которые, испаряясь, придают гидрофобной пленке прочность, допускающую использование механических смесителей и формовку сырцовых стеновых и облицовочных изделий. В результате такого разбавления получают маловязкие растворы, позволяющие наносить очень тонкую пленку гидрофобизатора на поверхность крупки пеностекла. Крупка, изготовленная из крупнопористых исходных пеностекол, требует для сглаживания поверхностного слоя повышенный расход гидрофобизатора (смесь 4).

В качестве гидрофобизатора поверхности крупки пеностекла можно использовать любые органические соединения, которые можно нанести на поверхность крупки пеностекла, придающие ей гидрофобные свойства, например кремнийорганические жидкости, синтетические жирные кислоты и др. Контроль толщины гидрофобной пленки на крупке пеностекла можно производить визуально, исследуя срез гидрофобизированной частицы под микроскопом, либо по увеличению размеров обработанной гидрофобизатором частицы по сравнению с первоначальной ее величиной при помощи штангенциркуля.

Обработка поверхности крупки пеностекла гидрофобизатором заключается в засыпке отсеянных на ситах зерен пеностекла размером 0,1...5 мм в резервуар с расплавом либо раствором гидрофобизатора, перемешивании данной массы в течение 5...10 минут и удалении жидкой фазы сквозь сетчатую перегородку с размером ячеек чуть менее 0,1 мм. После охлаждения либо сушки до постоянной массы полученный материал полностью готов к технологическому применению.

Анализируя результаты физико-механических испытаний серии экспериментальных образцов, можно сделать вывод, что наиболее предпочтительна форма крупки пеностекла после гидрофобизации - сферическая и яйцевидная, что достигается подбором вязкости обрабатывающего раствора.

Способ изготовления стеновых керамических изделий осуществляют следующим образом.

Известным образом измельчают глинистое сырье до дисперсности частиц менее 1 мм, дозируют, добавляют гидрофобизированную крупку пеностекла в соотношении по сухой массе, указанной в табл.2. Смесь сухих компонентов увлажняют водой до влажности 4...8% согласно [3, с.91], перемешивают до однородного состояния. Смесь формуют методом полусухого прессования под давлением 4...7 МПа. Снижению давления при формовании изделий по сравнению со способами, описанными в [1-3], способствует заметное повышение удобоукладываемости сырьевых смесей, приготовленных по заявляемому способу, за счет лучшего скольжения между частицами глины и гидрофобизированной поверхностью пеностекла. Водозатворяемость сырьевых шихт можно снизить до 4%, что также облегчает сушку сырца, усадка при сушке практически отсутствует. Изделия высушивают до остаточной влажности 0,5...2%, аналогично с [2], а затем обжигают при температуре 900...950°С [2; 3, с.121-128].

Пример 1. Взвесили предварительно высушенную измельченную и просеянную через сито с размером отверстий 1 мм Лукошкинскую глину в количестве 5,8 кг (58%, см. табл.2), к этой глине добавили 4,2 кг дробленого пеностекла (состоящего из 40% крупки пеностекла и 2% гидрофобизатора), просеянного через сито с размером диаметра ячеек 5 мм и оставшегося на сите 0,1 мм и обработанного 0,2 кг расплавленного парафина (табл.2, смесь 1). Эти два компонента смешали в лабораторном шнековом смесителе и одновременно при смешивании подавали воду в количестве 0,4 кг. Полученную массу формовали методом полусухого прессования на гидравлическом прессе под давлением 4 МПа. Полученная прочность сырца позволяет производить перекладку и сушку образцов без каких-либо ограничений. Сформованные образцы в виде плиток с размером 192×142×9 мм и цилиндров с диаметром и высотой 50 мм (последние образцы предназначались для определения предела прочности при сжатии) высушивали до остаточной влажности 2%, а затем обжигали при максимальной температуре 950°С с выдержкой 2 часа, т.е. моделировались производственные условия получения строительного красного кирпича [3, с.89-128]. После охлаждения образцы материала испытывали на прочность, определялась плотность и теплопроводность. Визуально определялись декоративные свойства образцов. Результаты испытаний приведены в табл.3 (смесь 1).

Пример 2. Взвесили предварительно высушенный измельченный и просеянный через сито с размером отверстий 1 мм суглинок Тульский в количестве 5,8 кг (табл.2, смесь 2), к этому суглинку добавили 4,2 кг дробленого пеностекла, просеянного через сито с размером диаметра ячеек 5 мм и оставшегося на сите 0,1 мм и обработанного 0,2 кг расплавленного парафина. Эти два компонента смешали в лабораторном шнековом смесителе и одновременно при смешивании подавали воду в количестве 0,4 кг. Массу формовали методом полусухого прессования на гидравлическом прессе под удельным давлением 6 МПа. Сформованные образцы в виде плиток с размером 192×142×9 мм и цилиндров с диаметром и высотой 50 мм, высушивали

Таблица 1 Химический состав компонентов керамических масс
№ п/п	Компонент	Содержание окислов, мас.%
SiO2	Al2О3	TiO2	Fe2O3	CaO	MgO	K2O+Na2O	SO3	П.п.п.
1.	Глина Лукошкинская	59,2	19,7	0,8	4,5	1,5	0,5	2,7	0,2	10,9
2.	Суглинок Тульский	74,4	11,4	0,8	4,1	0,9	0,8	3,2	0,3	4,1
3.	Пеностекло	71,6	2,7	-	0,3	8,2	1,1	14,7	0,4	-

Таблица 2 Состав керамической массы
№ смеси	Компоненты, мас.%
	Глина Лукошкинская	Суглинок Тульский	Крупка пеностекла с размером частиц, мм	Гидрофобизатор (парафин)	СДБ (сухая) сверх 100% смеси
менее 0,1	0,1-2,5	0,1-5	более 5
1	58	-	-	-	40 (форма шарообразная)	-	2	-
2	-	58	-	-	40 (форма яйцевидная)	-	2	-
3	97,95	-	-	-	5 (форма сглаженная)	-	0,05	-
4	30	-	-	-	63,64 (форма сглаженная)	-	6,36	-
5	56	-	40 (форма яйцевидная)	-	-	-	4	-
6	56	-	-	-	-	40 (форма шарообразная)	4	-
7 (прототип)	60	-	-	40 (форма угловатая)	-	-	-	0,5
Таблица 3 Свойства керамического материала
№ смеси	Давление прессования заготовок, МПа	Температура обжига, °С	Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К	Плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа	Влажность заготовок, %
1	4	950	0,310	882	27,2	4
2	5	900	0,312	890	26,2	4
3	6	950	0,759	1609	45,4	7
4	4	950	0,308	690	9,3	3
5	7	950	0,801	1698	38,9	9
6	7	950	0,645	996	3,8	8
7 (прототип)	10	950	0,420	1180	26,9	10

до остаточной влажности 2%, а затем обжигали при максимальной температуре 900°С с выдержкой 2 часа. После охлаждения образцы материала испытывали на прочность, определяли плотность и теплопроводность. Визуально определяли декоративные свойства образцов. Результаты испытаний приведены в табл.3 (смесь 2).

Соотношения сырьевых компонентов и температура обжига керамических масс в примерах 1 и 2 (табл.2, смеси 1-2) выбраны из экспериментальной серии образцов как наиболее рациональные по микроструктуре и физико-механическим свойствам получаемых стеновых керамических изделий.

Аналогичным образом приготавливали все остальные смеси по заявляемому способу получения керамической массы и соответственно на ее основе образцы стеновых материалов и облицовочной плитки, в том числе и с запредельными значениями размеров зерен гидрофобизированной крупки пеностекла (составы 5-6), а также известный состав массы 7 (прототип). Результаты свойств приведены в табл.3. Эксперименты проводились в лабораторных условиях БГТУ.

Анализ данных табл.3 результатов испытаний свойств образцов стеновой и облицовочной керамики, изготовленных по заявляемому способу, показывает следующее.

1. Все смеси 1-4 отвечают требованиям ГОСТ 7025-91 «Кирпич и камни керамические и силикатные».

2. Введение в состав массы гидрофобизированной крупки пеностекла позволяет получать прочные высококачественные керамические материалы.

3. При уменьшении количества крупки пеностекла до 5 мас.% и нанесенного на ее поверхность гидрофобизатора до 0,05 мас.% по отношению к массе формовочной смеси (0,1% по отношению к массе крупки) коэффициент теплопроводности и плотность по сравнению с прототипом снижаются, при этом значительно - почти в 2 раза возрастает прочность образцов (смесь 3). Дальнейшее уменьшение количества гидрофобизированной крупки пеностекла нецелесообразно, т.к. получаемые керамические материалы незначительно превосходят комплексные качественные характеристики прототипа.

4. При увеличении количества гидрофобизированной крупки пеностекла до 70 мас.% (63,64 мас.% крупки и 6,36 мас.% гидрофобизатора) плотность и коэффициент теплопроводности уменьшаются, однако и прочность их снижается за счет увеличения рыхлости структурного скелета (смесь 4), дальнейшее же увеличение количества крупки в массе нецелесообразно, т.к. происходит падение прочности получаемых керамических материалов за счет малой доли глинистого компонента в шихте и появления выплавов.

5. Использование гидрофобизированной крупки пеностекла с размером частиц менее 0,1 мм не позволяет получать керамические изделия низкой плотности и с пониженным коэффициентом теплопроводности, т.к. пылеобразные частицы пеностекла не способствуют созданию пористой структуры керамических материалов (смесь 5).

6. Использование крупки пеностекла с размером частиц более 5 мм также нецелесообразно, т.к. образующаяся система крупных пор способствует возникновению в них конвективного теплообмена, что снижает теплоизоляционные характеристики получаемых материалов (смесь 6), при обжиге такой массы наблюдаются серьезные дефекты структуры, рыхлость, выплавы, которые снижают прочностные характеристики, ухудшают внешний вид изделий.

Заявляемый способ изготовления стеновых керамических изделий в сравнении с прототипом имеет следующие преимущества:

1) теплоизоляционные свойства улучшаются на 25...30%;

2) плотность при сохранении требуемых физико-механических характеристик уменьшается на 20...30%;

3) внесением гидрофобизированной крупки пеностекла мы одновременно осуществляем пластификацию смеси, отказавшись от использования сульфитно-дрожжевой бражки, при этом формовочные свойства шихт улучшаются настолько, что позволяют снизить давление прессования до 4 МПа и влажность заготовок с 10% (прототип) до 3...7% (табл.3, смеси 1-4);

4) полученный в результате обжига керамический материал имеет однородную замкнуто-поризованную структуру и имеет хорошие декоративные свойства.

Физико-химическая сущность технического решения достижения задачи заключается в следующем: гидрофобизированная крупка пеностекла благодаря низкой насыпной плотности (340...360 кг/м³) и, занимая объем сырьевой массы, формирует пористую структуру сырца, причем за счет гидрофобизации поверхности крупки и наличия слоя гидрофобизатора обработанная гранула имеет сглаженную (а идеальный вариант - сферическую и яйцеобразную) поверхность, внутри которой заключена легкоплавкая пористая стеклянная масса. По этой причине структура сырца имеет все предпосылки в процессе обжига для формирования правильных сферических остеклованных замкнутых пор.

Наличие равномерно распределенных, преимущественно сферических и яйцеобразных, остеклованных замкнутых пор по всему объему керамического изделия позволяет существенно увеличить способность противостоять приложенным механическим нагрузкам по сравнению с керамическими изделиями по [2], где форма пор имеет угловатые края и неровные поверхности, способствующие созданию центров напряжения при наличии механических нагрузок. Известно, что сферическая поверхность пор позволяет существенно уменьшить плотность, а следовательно, и теплопроводность получаемых стеновых и облицовочных изделий, полученных из заявляемых составов керамических масс, при сохранении прочностных характеристик.

Гидрофобизированные частицы пеностекла, имея малое сцепление с глинистым компонентом и между собой, делают сырьевую массу шихты легкоподвижной и удобоукладываемой, т.е. пластифицируют ее настолько, что при формовании требуются гораздо меньшие усилия (4...7 МПа). Гидрофобизированная крупка пеностекла в то же время является отощителем шихты в гораздо большей степени, чем крупка в шихте по прототипу [2], снижая ее водозатворяемость с 10 до 4%, что приводит к ликвидации усадочных явлений при сушке сырца, исключая образование усадочных трещин.

СДБ (см. 2), являясь пластифицирующей сырьевую массу добавкой и увеличивая ее подвижность, при формовании изделий способствует более полному заполнению поверхностных неровностей крупки пеностекла, что приводит к увеличению плотности, коэффициента теплопроводности и снижению прочности готовых стеновых и облицовочных материалов. По этим трем причинам использование водного раствора СДБ в качестве пластификатора керамической массы становится нецелесообразным и в заявляемом способе она исключена.

При обжиге органический гидрофобизатор выгорает с экзотермическим эффектом, способствуя ускоренной подготовке сырца к обжигу. Известно, что при достижении 780...850°С пеностекло переходит в жидкую фазу, активно взаимодействуя с частицами глины по всей поверхности поры. К этому времени глинистая составляющая массы создает прочный структурный скелет материала, который препятствует термической усадке изделия. В процессе изотермической выдержки при максимальной температуре в течение 1...3 ч готовая стеклофаза приводит к ускорению реакций муллитообразования с последующей кристаллизацией муллита в стенках пор и их армированием (доказано микроскопическими и петрографическими исследованиями). Авторами установлено, что армирование и высокая плотность остеклованных стенок пор препятствует трещинообразованию получаемых стеклокерамических материалов, этим объясняется их высокая прочность и малое водопоглощение (8...10%) даже при существенном снижении плотности по сравнению с прототипом. Обеспечение равномерной замкнутой пористости сферической формы в керамическом материале также обусловливает снижение коэффициента теплопроводности практически на 25...30% по сравнению с прототипом.

Уменьшение контактирующих поверхностей компонентов керамической массы в процессе обжига и создание системы упорядоченных сферических пор позволяет снизить опасность появления выплавов при обжиге полученных по заявляемому способу керамических масс и увеличить размер используемой гидрофобизированной крупки до 5 мм, что позволяет дополнительно снизить плотность и увеличить теплоизоляционные свойства стеновых и облицовочных изделий.

Получаемые по заявляемому способу стеновые и облицовочные изделия обладают хорошими декоративными показателями - имеют вид природных туфовых материалов, а изделия из беложгущихся глин - ракушечника. Для достижения большего декоративного эффекта допускается дополнительное введение пигментов в состав сырьевой керамической массы. Использование заявляемого способа изготовления стеновых керамических изделий в промышленности строительных материалов позволит также решить проблему утилизации отходов производства пеностекла.

Источники информации

1. Патент РФ №2036880, кл. 6 С 04 В 33/00, 28/20, 1995.

2. Патент РФ №2231505, кл. 7 С 04 В 33/00, С 03 С 11/00, 2004.

3. Мороз И.И. Технология строительной керамики. Киев: «Вища школа», 1980. - С.89-128.

1. Способ изготовления стеновых керамических изделий, включающей измельчение глинистого компонента, введение крупки пеностекла, увлажнение и пластификацию формовочной массы, формование заготовок полусухим методом прессования, сушку и обжиг, отличающийся тем, что пластификацию формовочной массы осуществляют введением указанной крупки пеностекла с размером зерен 0,1-5,0 мм, предварительно обработанной гидрофобизатором до приобретения ею сглаженной поверхности при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гидрофобизированная крупка пеностекла	5-70
Глинистый компонент	Остальное

при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы крупки, а формование заготовок полусухим методом прессования ведут при давлении от 4 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сглаженная гидрофобизатором поверхность крупки пеностекла имеет сферическую или яйцевидную формы.