Результат интеллектуальной деятельности: Керамическая смесь для изготовления строительных изделий

Керамическая смесь относится к производству строительной керамики и может быть использована при изготовлении стеновых и облицовочных изделий: кирпичей, камней, плиток, плит и блоков.

Известна керамическая масса [1], которая включает суглинок, керамзитовую глину, железосодержащую добавку и выгорающую добавку. В качестве железосодержащей добавки взят молотый отход производства аммиака - отработанный катализатор, а в качестве выгорающей добавки - жидкий отход производства вспененного полистирола (маточный раствор), при следующем соотношении компонентов керамической массы, мас. %: суглинок 69,35-70,5; керамзитовая глина 23-23,5; железосодержащий отход -отработанный катализатор производства аммиака, молотый до удельной поверхности 200 м²/кг 1,25-1,5; жидкий отход производства вспененного полистирола плотностью 1,014 г/л 4,5-6,4. Преимуществами данной керамической массы является возможность формования изделий при давлении 2,5 МПа и возможность обжига при температуре 950°С. Недостатками данного состава являются сравнительно невысокая прочность на сжатие изделий (30,8 - 45,2 МПа), а также трудоемкость и энергоемкость производства, связанные с измельчением железосодержащего отхода до удельной поверхности 200 м²/кг, а также проведение сушки при максимальной температуре 75±5°С в течение 72 часов.

Известна сырьевая смесь для изготовления кирпича [2], включающая глину, кварцевый песок модулем крупности 2,0-2,2, выгорающую добавку, дополнительно содержащая кремнеземсодержащие шламовые отходы процесса переработки отработанного ванадиевого катализатора сернокислотного производства, а в качестве выгорающей добавки содержащая смесь древесных опилок, крошки резинового регенерата процесса переработки утилизируемых автомобильных шип, гидроксипропилцеллюлозы при соотношении указанных составных частей выгорающей добавки: 1:0,1-0,3:0,01-0,02 при следующем соотношении компонентов, мас. %: глина 73,0-87,0, указанный кварцевый песок 9,0-16,0, шлам процесса переработки отработанного ванадиевого катализатора 2,0-5,0, указанная выгорающая добавка 2,0-6,0. Данная сырьевая смесь позволяет получать изделия с теплопроводностью 0,28-0,32 Вт/(м⋅°С), однако у них низкие прочность на сжатие (17,4-18,1 МПа) и изгиб (3,3-3,7 МПа). Производство изделий по составу данной сырьевой смеси отличается энергоемкостью (сушка в течение 54-58 ч при температуре 154-161°С и обжиг 27,8-29,5 ч при максимальной температуре в зоне обжига 990-1000°С). Необходимость вылеживания шихты в течение 14 суток повышает длительность технологического цикла.

Известны керамический кирпич, камень [3], выполненные из шихты, содержащей суглинки или глину, выгорающие порообразующие компоненты и отощители. В качестве выгорающих порообразующих компонентов использованы угольная мелочь и/или опилки фракции от 0,2 до 3,5 мм и гранулы пенополистирола фракций от 1,0 до 4,5 мм, а в качестве отощителя - песок с модулем крупности от 0,3 до 2,2, при этом соотношение компонентов в шихте составляет по объему в %: угольная мелочь и/или опилки - 2-10, гранулы пенополистирола - 10-35, песок - 3-20, суглинок и/или глина - остальное. Теплопроводность данных изделий составляет 0,29 Вт/(м⋅°С) для керамического кирпича и 0,34 Вт/(м⋅°С) для керамического камня. Недостатками данного состава являются низкие прочность на сжатие (100,6-107,8 кгс/см2 или 9,9-10,6 МПа) и изгиб (16,0-18,0 кгс/см2 или 1,7-1,8 МПа).

Наиболее близкой к предлагаемому решению является керамическая смесь для изготовления строительного кирпича [4], включающая глину, кварцевый песок с модулем крупности 2-2,5, выгорающую добавку, согласно изобретению в качестве выгорающей добавки используют первичные, вторичные или подлежащие утилизации полимерные отходы предприятий по производству и переработке полимеров - поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен, полиэтилентерефталат, полиамид-6, полимерные композиционные материалы на их основе в виде частиц дисперсностью 0,1-2,0 мм при следующем содержании компонентов смеси, в мас. %: глина 75,0-85,0; кварцевый песок 13,0-15,0; полимерные отходы 2,0-10,0. Данная сырьевая смесь позволяет получать изделия с теплопроводностью 0,34-0,39 Вт/(м⋅°С), однако у них низкие прочность на сжатие (35,4-37 МПа) и изгиб (4,8-5,4 МПа). Производство изделий по составу данной сырьевой смеси отличается энергоемкостью (сушка в течение 54-58 ч при температуре 154-161°С и обжиг 27,8-29,5 ч при максимальной температуре в зоне обжига 990-1000°С). Необходимость вылеживания шихты в течение 14 суток повышает длительность технологического цикла.

Техническими задачами, на решение которых направлено изобретение являются повышение прочности на изгиб изделий при снижении энергоемкости за счет исключения стадий вылеживания шихты и сушки сырца, а также уменьшения времени обжига изделий.

Для достижения поставленных задач предлагается в качестве выгорающей добавки использовать отходы из непластифицированного поливинилхлорида (отходы НПВХ) и в качестве дополнительных добавок использовать стекольный бой и борную кислоту с применением технологии полусухого прессования, что позволит проводить технологический цикл без вылеживания шихты и сушки сырца. Наиболее эффективно поставленные задачи решаются при использовании следующего состава керамической массы (в мас. %):

В предлагаемом изобретении предусматривается применение глины Суворотского месторождения Владимирской области, содержащей в своем составе следующие соединения (в мас. %): SiO₂=67,5; Al₂O₃=10,75; Fe₂O₃=5,85; СаО=2,8; MgO=1,7; K₂O=2,4; Na₂O=0,7. Данная глина обладает числом пластичности 5,2 и относится к малопластичным (по ГОСТ 9169-75).

В качестве стекольного боя предполагается применение боя листового оконного стекла следующего состава (в мас. %): SiO₂=73,5; СаО=7,4; MgO=1,9; Na₂O=11,1; K₂O=5,2; Al₂O₃=0,9, Данная добавка является источником стекловидной фазы, которая образуется при обжиге, заполняет крупные поры и пустоты в материале, что снижает водопоглощение и повышает морозостойкость, и одновременно выступает в роли связующего, повышая прочностные характеристики керамики.

В качестве добавки, повышающей количество образующейся стекловидной фазы, выступает борная кислота марки В 2-го сорта (ГОСТ 18704-78). Введение данного компонента позволяет дополнительно повысить прочность и морозостойкость, а также снизить водопоглощение, в том числе за счет эффекта самоглазурования керамики, возникающего при совместном введении стекольного боя и борной кислоты.

Отходы НПВХ, в частности отходы строительных профилей и отделочных панелей, вводятся в состав шихты в качестве выгорающей добавки для повышения пористости и снижения теплопроводности получаемой керамики, что повышает энергоэффективность изделий. Эффект самоглазурования поверхности позволит перевести открытые поры, образующиеся при выгорании отходов НПВХ, в закрытые для поддержания относительно низкого водопоглощения и достаточной морозостойкости изделий.

Количество вводимых добавок также влияет на достижение поставленных задач. При введении в состав шихты менее 5 мас. % стекольного боя и менее 2,5 мас. % борной кислоты происходит незначительное упрочнение материала при практически неизменном водопоглощении, что подразумевает недостаточное количество образующейся стекловидной фазы. Введение более 15 мас. % стекольного боя приводит к заполнению большей части пор в материале стекловидной фазой, что делает введение выгорающей добавки нецелесообразным. При введении более 5 мас. % борной кислоты при количестве стекольного боя менее 10 мас. % практически не меняет свойств керамики в сравнении с составами, содержащими 2,5 мас. % борной кислоты. При введении борной кислоты в количестве более 5 мас. % совместно со стекольным боем в количестве 10 мас. % и выше приводит к короблению изделий. При введении менее 2,5 мас. % отходов НПВХ свойства материала практически не изменяются, а при введении выше 10 мас. % отходов НПВХ образуется излишнее количество пор, что снижает прочность и морозостойкость. Также при введении свыше 10 мас. % отходов НПВХ в объеме материала и на его поверхности остаются следы выгорания добавки.

Реализация заявляемого изобретения предпочтительна по следующей технологии:

Малопластичная глина, стекольный бой и отходы НПВХ предварительно измельчаются до получения частиц размером менее 0,63 мм, а затем высушиваются до постоянной массы. Затем указанные компоненты перемешиваются в требуемых соотношениях между собой с добавлением необходимого количества борной кислоты. Полученная шихта смешивается с водой до получения формовочной влажности, равной 8 мас. %. Из подготовленной формовочной массы при давлении 15 МПа получают сырец, который без проведения сушки подвергается обжигу при температуре 1050°С.

Обоснованность и преимущества заявляемого изобретения основаны на измерении физико-механических и эксплуатационных показателей керамики на основе шихты с содержанием от 5 до 15 мас. % стекольного боя, от 2,5 до 5 мас. % борной кислоты, от 2,5 до 10 мас. % отходов НПВХ и иллюстрируются следующими примерами:

1. К 82,5 мас. % малопластичной глины добавляют 5 мас. % стекольного боя, 2,5 мас. % борной кислоты и 10 мас. % отходов НПВХ, перемешивают и получают материал по указанной технологии;

2. К 80 мас. % малопластичной глины добавляют 10 мас. % стекольного боя, 5 мас. % борной кислоты и 5 мас. % отходов НПВХ, перемешивают и получают материал по указанной технологии;

3. К 85 мас. % малопластичной глины добавляют 10 мас. % стекольного боя, 2,5 мас. % борной кислоты и 2,5 мас. % отходов НПВХ, перемешивают и получают материал по указанной технологии;

4. К 82,5 мас. % малопластичной глины добавляют 10 мае, % стекольного боя, 5 мас. % борной кислоты и 2,5 мас. % отходов НПВХ, перемешивают и получают материал по указанной технологии;

5. К 77,5 мас. % малопластичной глины добавляют 15 мас. % стекольного боя, 5 мас. % борной кислоты и 2,5 мас. % отходов НПВХ, перемешивают и получают материал по указанной технологии;

Свойства материалов, полученных с использованием известного и предлагаемого составов керамической смеси, приведены в таблице 1.

Источники информации:

1. Патент на изобретение №2614341, кл. С04В 33/132, С04В 33/14, 2017

2. Патент на изобретение №2620677, кл. С04В 33/16, С04В 38/06, С04В 33/132, 2017

3. Патент на изобретение №2120923, кл. С04В 33/00, С04В 33/02, С04В 38/06, С04В 33/30, 1998

4. Патент на изобретение №2596027, кл. С04В 33/132, С04В 33/16, С04В 38/06, 2016