СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к технологии получения композиционных керамических изделий из горных пород с использованием связующего.

Известен способ получения базальтовой керамики методом спекания, исходным сырьем для которого является порошок плавленного базальта с размером частиц 0,5-60 мкм. Полученный порошок перемешивают с 3-10 масс.% парафина, прессуют под давлением 300-1800 кг/см², подвергают предварительному обжигу при 800-900°C, затем повышают температуру до 1100°C, при которой изделие выдерживают 2 часа. Общий период спекания составляет 24 часа. Недостатком известного способа является высокая температура спекания и многостадийность процесса получения каменно-керамических изделий [Пеликан Л. Плавленые камни. М.: «Металлургиздат», 1959, с. 199-200].

Наиболее близким по технической сущности является способ получения керамических изделий, включающий приготовление формовочной массы из горных пород основной группы в качестве наполнителя и связующего, формование из полученной формовочной массы изделий и их термообработку. Приготовление массы осуществляют путем смешивания 80-95 мас.% наполнителя из горных пород основной группы с размером частиц 50-500 мкм и влажностью не более 5% с 5-20 мас.% фосфорной кислоты плотностью 1,50-1,55 г/см³, взятой в качестве связующего. Далее осуществляют выдержку полученной смеси при температуре 10-30°C в течение 24-72 ч и последующую термообработку при температуре 100-300°C [Патент RU 2361844, от 16.08.2007, опубл. 20. 07.2009]. В качестве наполнителя использованы горные породы основной группы. Недостатком известного способа является недостаточно высокая плотность и химическая устойчивость к действию соляной и серной кислот, а также повышенное водопоглощение спеченных каменно-керамических изделий.

Задачей изобретения является улучшение физико-технических свойств керамических изделий.

Достигается это тем, что в способе получения композиционных керамических изделий, включающий приготовление формовочной массы в качестве наполнителя из горных пород и связующего в виде фосфорной кислоты, выдержку полученной смеси, формование из полученной массы изделий и последующую термообработку, приготовление формовочной массы осуществляют путем классификации по крупности, с выделением фракций наполнителя -1,0+0,315, -0,315+0,08 и -0,08+0,042, при соотношении фракций 6:3:1 в виде кварцевого порфира или гранита или липарита в количестве 65-72 масс.%, который смешивают с фосфорной кислотой в количестве 25-30 масс.% и стекловолокном при отношении длины волокна к его диаметру от 5000 до 6000 в количестве 3-5 масс.%, выдерживают при температуре 20-30°C в течение 25-40 часов, подвергают формованию при давлении 35-45 МПа и последующей термообработке при температуре 350-380°C в течение 1,5 часов.

В этом состоит новый технический результат, находящийся в причинно-следственной связи с существенными признаками изобретения.

Кварцевый порфир, гранит, липарит относятся по происхождению к магматическим интрузивным породам кислой и ультракислой группы, содержащим более 70% SiO₂. По содержанию SiO₂ существенно отличаются от горных пород основной группы (по прототипу).

Усредненный химический состав кварцевого порфира (масс.%): SiO₂-72,36; TiO₂-0,33; Al₂O₃-14,17; Fe₂O₃-1,55; FeO-1,01; MnO-0,09; CaO-1,38; MgO-0,52; Na₂O-2,85; K₂O-4,46; SO₃-0,1; P₂O₅-0,09. Кварцевый порфир минералогически состоит из кварца (до 20%), ортоклаза (40-90%), плагиоклаза (10-60%).

Усредненный химический состав гранита(масс.%): SiO₂-75,17; TiO₂-0,54; Al₂O₃-12,27; Fe₂O₃-2,58; FeO-1,29; MnO-0,14; CaO-1,71; MgO-1,8; Na₂O-2,3; K₂O-0,71; SO₃-0,1. Минералогически гранит представлен, в основном, кварцем от 20 до 40, ортоклазом от 40 до 60, слюдой от 5 до 20.

Усредненный химический состав липарита (масс.%): SiO₂-72,80; TiO₂-0,33; Al₂O₃-13,49; Fe₂O₃-1,45; FeO-0,88; MnO-0,08; CaO-1,20; MgO-0,38; Na₂O-3,38; K₂O-4,46; SO₃-0,1; P₂O₅-0,08. Минералогически липарит, как и гранит, представлен, в основном, кварцем от 20 до 40, ортоклазом от 40 до 60, слюдой от 5 до 20.

Использование кварцевого порфира или гранита или липарита в качестве наполнителя композиционного керамического материала связано с их минералогическим составом, включающим в себя помимо полевых шпатов в виде ортоклаза минерал кварца в значительных количествах.

Зерна кварца выступают в качестве неизменного скелета, не вступающего практически во взаимодействие с фосфорной кислотой и придающие готовому изделию повышенную плотность и химическую стойкость к большинству кислот. Функционально зерна кварца в композиционном материале являются дисперсно-упрочняющей добавкой. Для усиления армирующего эффекта создания плотного и стойкого к агрессивным средам скелета дополнительно в состав наполнителя вводятся стекловолокна определенных геометрических размеров: длиной 15-20 мм при отношении длины волокна к его диаметру от 5000 до 6000. Усредненный химический состав стекловолокон соответствует (масс.%): SiO₂-58,20; TiO₂-2,50; Al₂O₃-11,60; Fe₂O₃-0,10; ZnO-2,90; CaO-21,70; MgO-2,00; Na₂O-1,00; K₂O-0,20. Приведенный химический состав и геометрические параметры стекловолокон определяют высокую химическую стойкость волокон. В качестве материала матрицы композиционного материала выступают продукты взаимодействия полевых шпатов из кварцевого порфира или гранита или липарита и фосфорной кислоты с образованием монолитной массы из ортофосфатов, в первую очередь, ортофосфатов алюминия. Композиционный материал с использованием кварцевого порфира или гранита или липарита в сочетании со стекловолокном обеспечивает повышенную химическую стойкость композиционных керамических изделий.

Примеры осуществления заявляемого способа и прототипа сведены в таблицу 1.

Способ изготовления композиционного керамического изделия реализуется следующим образом.

Кварцевый порфир или липарит или гранит измельчается в различных измельчительных агрегатах (дробилки щековые, конусные, валковые, роторные, барабанные; мельницы шаровые, стержневые, вибрационные, планетарные и др.) с последующим выделением на грохотах фракций -1,0+0,315, -0,315+0,08 и -0,08+0,042, смешиваемых в соотношении фракций 6:3:1 в стержневом смесителе, куда в дальнейшем добавляется стекловолокно длиной 15-20 мм при отношении длины волокна к его диаметру от 5000 до 6000 и далее фосфорная кислота при следующем соотношении компонентов сырьевой смеси, масс.%:

Полученную смесь выдерживают при температуре 20-30°C в течение 25-40 часов, подвергают прессованию при давлении 35-45 МПа, термообработке при температуре 350-380°C в течение 1,5 ч. Физико-технические свойства композиционных керамических изделий при различном наполнителе и количестве при соотношении фракций -1,0+0,315, -0,315+0,08 и -0,08+0,042 соответственно 6:3:1 при давлении 45 МПа и температуре термообработки 380°C представлены в таблицах 1, 2, 3, 4, 5.

Анализ данных таблицы 1 свидетельствует, что максимальная устойчивость к действию концентрированных соляной и серной кислот, минимальное водопоглощение и максимальная плотность соответствует заявляемому содержанию кварцевого порфира или гранита или липарита в пределах 65-72 масс.%, стекловолокна 3-5 масс.%, фосфорной кислоты 25-30 масс.%.

Физико-технические свойства керамических изделий при постоянном содержании наполнителя в виде горной породы в 65 масс.%) и стекловолокна в 5 масс.% на различных примерах использования горных пород при различном соотношении фракций -1,0+0,315, -0,315+0,08 и -0,08+0,042 при давлении 45 МПа и температуре термообработки 380°C представлены в таблице 2.

Анализ данных таблицы 2 свидетельствует, что максимальная устойчивость к действию концентрированных соляной и серной кислот, минимальное водопоглощение и максимальная плотность соответствует заявляемому соотношению фракций 6:3:1.

Физико-технические свойства композиционных керамических изделий при постоянном содержании наполнителя в виде горной породы в 65 масс.% и стекловолокна в 5 масс.% на различных примерах использования горных пород при оптимальном соотношении фракций 6:3:1 при температуре термообработки 380°C при различном давлении прессования представлены в таблице 3.

Анализ данных таблицы 3 свидетельствует, что максимальная устойчивость к действию концентрированных соляной и серной кислот, минимальное водопоглощение и максимальная плотность соответствует заявляемому оптимальному диапазону давления формования 35-45 МПа.

Физико-технические свойства композиционных керамических изделий при постоянном содержании наполнителя в виде горной породы в 65 масс.% и стекловолокна в 5 масс.% на различных примерах использования горных пород при оптимальном соотношении фракций 6:3:1 при оптимальном давлении прессования 45МПа при различной температуре термообработки с интервалом в 50°С представлены в таблице 4.

Анализ данных таблицы 4 свидетельствует, что максимальная устойчивость к действию концентрированных соляной и серной кислот, минимальное водопоглощение и максимальная плотность соответствует заявляемому оптимальному диапазону температур термообработки 350-380°С.

Физико-технические свойства композиционных керамических изделий при постоянном содержании наполнителя в виде горной породы в 65 масс.% и стекловолокна в 5 масс.% на различных примерах использования горных пород при оптимальном соотношении фракций 6:3:1 при оптимальном давлении прессования 45МПа при оптимальной температуре термообработки в 350°С при различном соотношении длины стекловолокна к диаметру представлены в таблице 5.

Анализ данных таблицы 5 свидетельствует, что максимальная устойчивость к действию концентрированных соляной и серной кислот, минимальное водопоглощение и максимальная плотность соответствует заявляемому оптимальному диапазону соотношении длины стекловолокна к диаметру 5000-6000.

Технический результат предлагаемого способа композиционных керамических изделий заключается в повышении плотности и химической устойчивости изделий, а также снижении водопоглощения спеченных керамических масс.