ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ ГЛИН НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШЛИКЕРОВ
|
Актуальность темы исследования. Производство керамических изделий на многих заводах России, в том числе и Уральского региона, ориентировано на применение алюмосиликатного сырья, отгружаемого горнодобывающими предприятиями Украины, что способствует удорожанию продукции и не гарантирует стабильность его поставок. Поэтому важной является разработка составов керамических масс, в которых импортные материалы частично или полностью замещаются местным сырьем. Однако при замещении импортного сырья на местное необходимо оптимизировать процессы структурообразования и реологические свойства шликеров на его основе.
Научный и практический интерес представляют исследования по изучению поведения свойств шликеров на основе каолинито-монтмориллонитовой глины и разработка комплексных модифицирующих добавок, обеспечивающих требуемые показатели текучести. Актуальность исследования состоит в решении проблемы импортозамещения высокопластичного глинистого сырья с целью повышения конкурентоспособности керамических изделий, выпускаемых российскими предприятиями.
Степень разработанности темы исследования
К настоящему времени российскими и зарубежными учеными проведены исследования, направленные на изучение поведения суспензий глин, содержащих минералы группы монтмориллонита, особенностей процесса связывания воды и природы взаимодействия таких глин с электролитами. Однако, в этих работах не в полной мере рассмотрены сведения о химическом составе катионов на поверхности глинистых частиц и их влияния на обменные процессы при взаимодействии с электролитами.
Объект исследования. В качестве объекта исследования выбран шликер на основе глин разного минерального состава: каолинито-гидрослюдистая марки «Веско-Прима» месторождения Андреевского (Украина), каолинито-монтмориллонитовая Нижне-Увельского месторождения в Челябинской области и монтмориллонитовая Ярского месторождения в Удмуртии.
Предметом исследования являются состояние поверхности глинистых частиц, физико-химические и технологические свойства глинистого сырья, специфическое поведение суспензий глин разной структуры при взаимодействии с электролитами.
Цель диссертационной работы - оптимизация состава, реологических и технологических свойств керамических шликеров с учетом минерального состава глин, модифицированных комплексными электролитами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- установить влияние распределения катионов на поверхности частиц глин разных минеральных групп на их разжижение электролитами;
- выявить закономерности изменения реологических свойств в зависимости от характера течения суспензий на основе исследуемых глин в процессе разжижения;
- разработать состав шликера с содержанием местной каолинито-монтмориллонитовой глины вместо импортной каолинито-гидрослюдистой глины для получения керамических изделий с требуемыми свойствами;
- провести опытно-промышленные испытания шликеров на основе разработанного состава для изготовления керамических изделий.
Научная новизна работы:
1. Впервые определен химический состав катионов в поверхностном слое частиц каолинито-гидрослюдистой, монтмориллонитовой и каолинито-монтмориллонитовой глины. Установлено, что состав поверхности глинистых частиц в основном представлен атомами кислорода (63,4 - 66,0 ат. %), кремния (18,2 - 22,0 ат. %) и алюминия (9,6 - 17,1 ат. %), которые являются основой структуры алюмосиликатных материалов.
2. Показано, что содержание примесных атомов кальция, железа, натрия и калия у глин разных минеральных групп в объеме и на поверхности неодинаково. Так, количество атомов кальция на поверхности каолинито-гидрослюдистой и каолинито-монтмориллонитовой глины больше, чем в объеме. У монтмориллонитовой глины содержание атомов кальция в поверхностном слое составляет 1,0 ат. %, в то время как у других глин меньше в 2 раза. Концентрация атомов калия в объеме глинистой частицы больше, чем на ее поверхности у исследованных групп глинистых минералов и составляет 1,6, 1,5 и 0,67 ат. % соответственно для каолинито-гидрослюдистой, монтмориллонитовой и каолинито-монтмориллонитовой глины.
3. Установлены закономерности изменения характера течения суспензий на основе глин разного минерального состава в процессе разжижения электролитами. До введения неорганического комплексного электролита у всех исследованных суспензий наблюдалась реопексная структура. Характер течения изменяется и становится реопексно-тиксотропным при концентрации электролита, мг-экв/100 г: 2,2 для суспензии монтмориллонитовой, 43,5 -
каолинито-монтмориллонитовой, 21,7 - каолинито-гидрослюдистой глины.
Дилатантный характер течения начинает проявляться у всех исследованных суспензий при достижении концентрации электролита, соответствующей минимальной вязкости.
Теоретическая и практическая значимость работы. Данная работа посвящена изучению взаимосвязи между физико-химическими обменными процессами и свойствами модифицированных шликеров. Установлена возможность замены 60 - 70 % от первоначального содержания импортной каолинито-гидрослюдистой глины на местную глину каолинито-монтмориллонитового состава в производственной шихте предприятия ОАО «Керамика», г. Глазов. Проведены опытно-промышленные испытания разработанного состава шликера и выпущена партия керамических изделий. Введение каолинито-монтмориллонитовой глины и разработанной комплексной разжижающей добавки в состав производственного шликера увеличило набор керамического слоя на поверхности гипсовой формы с 0,63 до 0,71 г/см2, снизило время набора слоя с 60 до 45 мин.
Методология и методы исследования
Методологической основой диссертационной работы является физико-химический анализ зависимости материалов в системе «состав - структура - дисперсность - свойство» (по И. В. Тананаеву). Результаты анализа основываются на фундаментальных и прикладных исследованиях отечественных и зарубежных ученых в области синтеза керамических материалов. Работа выполнена с применением методик экспериментов, обеспечивающих воспроизводимость результатов. Дифференциально-термический анализ глин проводили на приборе синхронного термического анализа Netzsch STA 449 F3 Jupiter. Фазовый состав глинистых материалов устанавливали с применением рентгенофазового анализа на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М. Исследование структуры глинистых материалов, морфологии поверхности, характера распределения частиц по форме и размерам осуществляли с использованием растрового электронного микроскопа BS-301. Измерения РФЭС-спектров поверхности глин выполнены на электронном спектрометре ESCALAB MK. Для определения сдвигающего напряжения и вязкости глинистых суспензий использовали ротационный вискозиметр «Reotest- 2».
Положения, выносимые на защиту:
- результаты исследования состава и количества катионов на поверхности глин;
- установленные закономерности изменения реологических свойств в зависимости от структуры суспензий на основе глин различного минерального состава при введении электролитов;
- разработанный керамический состав с содержанием местной каолинито-монтмориллонитовой глины вместо импортной каолинито-гидрослюдистой и свойства шликера при введении комплексных разжижающих добавок;
- результаты опытно-промышленных испытаний получения шликера предложенного состава и керамических изделий с требуемыми технологическими свойствами (водопоглощение менее 4 %, открытая пористость не более 9 %, общая усадка менее 14 %).
Достоверность научных результатов и выводов по работе обеспечена использованием комплекса современных методов исследований и высокотехно-логичного оборудования. Полученные результаты не противоречат общепризнанным фактам, традиционным научным представлениям и работам авторских коллективов различных научных школ.
Научный и практический интерес представляют исследования по изучению поведения свойств шликеров на основе каолинито-монтмориллонитовой глины и разработка комплексных модифицирующих добавок, обеспечивающих требуемые показатели текучести. Актуальность исследования состоит в решении проблемы импортозамещения высокопластичного глинистого сырья с целью повышения конкурентоспособности керамических изделий, выпускаемых российскими предприятиями.
Степень разработанности темы исследования
К настоящему времени российскими и зарубежными учеными проведены исследования, направленные на изучение поведения суспензий глин, содержащих минералы группы монтмориллонита, особенностей процесса связывания воды и природы взаимодействия таких глин с электролитами. Однако, в этих работах не в полной мере рассмотрены сведения о химическом составе катионов на поверхности глинистых частиц и их влияния на обменные процессы при взаимодействии с электролитами.
Объект исследования. В качестве объекта исследования выбран шликер на основе глин разного минерального состава: каолинито-гидрослюдистая марки «Веско-Прима» месторождения Андреевского (Украина), каолинито-монтмориллонитовая Нижне-Увельского месторождения в Челябинской области и монтмориллонитовая Ярского месторождения в Удмуртии.
Предметом исследования являются состояние поверхности глинистых частиц, физико-химические и технологические свойства глинистого сырья, специфическое поведение суспензий глин разной структуры при взаимодействии с электролитами.
Цель диссертационной работы - оптимизация состава, реологических и технологических свойств керамических шликеров с учетом минерального состава глин, модифицированных комплексными электролитами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- установить влияние распределения катионов на поверхности частиц глин разных минеральных групп на их разжижение электролитами;
- выявить закономерности изменения реологических свойств в зависимости от характера течения суспензий на основе исследуемых глин в процессе разжижения;
- разработать состав шликера с содержанием местной каолинито-монтмориллонитовой глины вместо импортной каолинито-гидрослюдистой глины для получения керамических изделий с требуемыми свойствами;
- провести опытно-промышленные испытания шликеров на основе разработанного состава для изготовления керамических изделий.
Научная новизна работы:
1. Впервые определен химический состав катионов в поверхностном слое частиц каолинито-гидрослюдистой, монтмориллонитовой и каолинито-монтмориллонитовой глины. Установлено, что состав поверхности глинистых частиц в основном представлен атомами кислорода (63,4 - 66,0 ат. %), кремния (18,2 - 22,0 ат. %) и алюминия (9,6 - 17,1 ат. %), которые являются основой структуры алюмосиликатных материалов.
2. Показано, что содержание примесных атомов кальция, железа, натрия и калия у глин разных минеральных групп в объеме и на поверхности неодинаково. Так, количество атомов кальция на поверхности каолинито-гидрослюдистой и каолинито-монтмориллонитовой глины больше, чем в объеме. У монтмориллонитовой глины содержание атомов кальция в поверхностном слое составляет 1,0 ат. %, в то время как у других глин меньше в 2 раза. Концентрация атомов калия в объеме глинистой частицы больше, чем на ее поверхности у исследованных групп глинистых минералов и составляет 1,6, 1,5 и 0,67 ат. % соответственно для каолинито-гидрослюдистой, монтмориллонитовой и каолинито-монтмориллонитовой глины.
3. Установлены закономерности изменения характера течения суспензий на основе глин разного минерального состава в процессе разжижения электролитами. До введения неорганического комплексного электролита у всех исследованных суспензий наблюдалась реопексная структура. Характер течения изменяется и становится реопексно-тиксотропным при концентрации электролита, мг-экв/100 г: 2,2 для суспензии монтмориллонитовой, 43,5 -
каолинито-монтмориллонитовой, 21,7 - каолинито-гидрослюдистой глины.
Дилатантный характер течения начинает проявляться у всех исследованных суспензий при достижении концентрации электролита, соответствующей минимальной вязкости.
Теоретическая и практическая значимость работы. Данная работа посвящена изучению взаимосвязи между физико-химическими обменными процессами и свойствами модифицированных шликеров. Установлена возможность замены 60 - 70 % от первоначального содержания импортной каолинито-гидрослюдистой глины на местную глину каолинито-монтмориллонитового состава в производственной шихте предприятия ОАО «Керамика», г. Глазов. Проведены опытно-промышленные испытания разработанного состава шликера и выпущена партия керамических изделий. Введение каолинито-монтмориллонитовой глины и разработанной комплексной разжижающей добавки в состав производственного шликера увеличило набор керамического слоя на поверхности гипсовой формы с 0,63 до 0,71 г/см2, снизило время набора слоя с 60 до 45 мин.
Методология и методы исследования
Методологической основой диссертационной работы является физико-химический анализ зависимости материалов в системе «состав - структура - дисперсность - свойство» (по И. В. Тананаеву). Результаты анализа основываются на фундаментальных и прикладных исследованиях отечественных и зарубежных ученых в области синтеза керамических материалов. Работа выполнена с применением методик экспериментов, обеспечивающих воспроизводимость результатов. Дифференциально-термический анализ глин проводили на приборе синхронного термического анализа Netzsch STA 449 F3 Jupiter. Фазовый состав глинистых материалов устанавливали с применением рентгенофазового анализа на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М. Исследование структуры глинистых материалов, морфологии поверхности, характера распределения частиц по форме и размерам осуществляли с использованием растрового электронного микроскопа BS-301. Измерения РФЭС-спектров поверхности глин выполнены на электронном спектрометре ESCALAB MK. Для определения сдвигающего напряжения и вязкости глинистых суспензий использовали ротационный вискозиметр «Reotest- 2».
Положения, выносимые на защиту:
- результаты исследования состава и количества катионов на поверхности глин;
- установленные закономерности изменения реологических свойств в зависимости от структуры суспензий на основе глин различного минерального состава при введении электролитов;
- разработанный керамический состав с содержанием местной каолинито-монтмориллонитовой глины вместо импортной каолинито-гидрослюдистой и свойства шликера при введении комплексных разжижающих добавок;
- результаты опытно-промышленных испытаний получения шликера предложенного состава и керамических изделий с требуемыми технологическими свойствами (водопоглощение менее 4 %, открытая пористость не более 9 %, общая усадка менее 14 %).
Достоверность научных результатов и выводов по работе обеспечена использованием комплекса современных методов исследований и высокотехно-логичного оборудования. Полученные результаты не противоречат общепризнанным фактам, традиционным научным представлениям и работам авторских коллективов различных научных школ.
Подобные работы
- ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ ГЛИН
НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ШЛИКЕРОВ
Диссертация , материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 5720 р. Год сдачи: 2019