К вопросу о степени спекания легкоплавких глин различного химико-минералогического состава

Исследовано влияние соотношения гидрослюда/монтмориллонит на спекание гидрослюдистых и полиминеральных Самарских легкоплавких глин. Установлено, что оптимальное значения соотношения гидрослюда/монтмориллонит =1,574,3 при 1100^оС способствует спеканию керамических образцов.

Ключевые слова: гидрослюда, каолинит, монтмориллонит, легкоплавкие глины, спекаемость, степень спекания, химико-минералогический состав.

Спекание – сложный физико-химический процесс, проходящий при высоких температурах в смесях кристаллических тел или порошковых прессовках. При спекании происходит уплотнение и упрочнение тел или прессовок, внешне проявляющееся главным образом в изменении объема, увеличении плотности и уменьшении массы. Основные идеи, определяющие направление многих исследований в области физики спекания получили теоретическое и практическое освещение. Спекание исходных материалов при получении керамики происходит в твердой фазе. В настоящее время не существует исчерпывающей и законченной теории спекания керамических материалов, учитывающей комплексное влияние всех относящихся сюда факторов: рекристаллизации, роли жидкой фазы, действия примесей, термодинамических условий и т.д. Отмеченные три возможных механизма спекания, вернее, усадки: объемное диффузионное течение, поверхностная диффузия, пластическое течение, дискутируются и по сей день. Спекание окислов в твердой фазе начинает развиваться тогда, когда подвижность ионов при нагревании значительно интенсифицирует процессы диффузии, обусловливающие «обмен местами» между ионами или просто перемещение ионов (или вакансий) из одного положения в кристаллической решетке в другое. Процессы свидетельствуют о важной роли энергетических факторов в развитии спекания.

Исследование глин многочисленных месторождений показало, что их спекаемость определяется химико-минералогическим составом 1. При производстве керамических изделий необходимо использовать хорошо спекающиеся глины (водопоглощение  5%).

В большинстве областей Поволжья отсутствуют или ограничены месторождения хорошо спекающихся легкоплавких глин. Перевод производства керамических материалов Самарской области на современную полностью автоматизированную и механизированную технологию потребует применения местных неспекающихся глин.

В работах 1-2 было показано, что спекание каолинито-монтмориллонитовых глин зависит от соотношения каолинит/монтмориллонит. При этом было показано, что наилучшая спекаемость отмечается у глин, соотношение указанных компонентов которых составляет от 4 до 7 2. Но до настоящего времени не была исследована зависимость спекания гидрослюдисто-монтмориллонитовых глин от соотношения гидрослюда/монтмориллонит (г/м). Учитывая, что в самарских легкоплавких глинах глинистый минерал в основном представлен гидрослюдой, исследование спекания смесей гидрослюдистых и монтмориллонитосодержащих глин и разработка на этой основе низкотемпературных масс представляет интерес.

Изучение степени спекания проводилось на четырёх наиболее представительных Самарских легкоплавких глинах, на которых работают керамические заводы. Химико-минералогические составы и технологические свойства исследуемых Самарских легкоплавких глин приведены в таблицах 1-3.

Таблица 1

Химические составы глинистых материалов

Таблица 2

Минералогический состав глинистых материалов

Технологические свойства глинистых материалов

Как видно из таблицы 3, для проведения исследований было взято две глины спекающиеся и три – не спекающиеся. При соотношении г/м от 2,3–4,3 глины спекаются, а при значениях г/м менее 0,1-0,24 – не спекаются.

Для анализа размера частиц исследуемых легкоплавких глин был проведен металлографический анализ на микроскопе МИН-8М при увеличении в 200 раз (Х200). Частицы глины растворялись в спирте, наносились на стекло и фотографировались с помощью фотоаппарата. Для того чтобы точно определить размеры частиц, было заснято несколько участков объекта. Используя шкалу объект микрометра (1 деление = 0,01 мм), в сфотографированной глине можно определить средний размер частиц глины. Средний размер частиц – 0,001 – 0,01 мм (1 – 10 мкм, рисунок 1).

Рис. 1. Металлографический анализ исследуемых легкоплавких глин:

а) кротовской; б) образцовской; в) смышляевской; г) воздвиженской

Как видно из рисунка 1 (б и в) наиболее мелкие глинистые частицы имеют глины Образцовского и Смышляевского месторождений, что должно способствовать спеканию, но данные таблицы 3 показывают обратное.

Изучение степени спекания при обжиге смесей, приведенных в таблице 4, проводили на плитках размером 100х100х10 мм, изготовленных методом пластического формования. Высушенные образцы-плитки до влажности 5-6% обжигали в лабораторной печи при температуре 1100^оС с интервалом 50^оС. Изотермическая выдержка при максимальной температуре – 30 мин.

Таблица 4

Составы керамических масс, соотношение г/м и усредненное водопоглощение

На рисунке 2 показано влияние соотношения г/м на водопоглощение. Как видно из рисунка 2 при увеличении соотношения г/м до 4,3 водопоглощение заметно снижается от 6,4 до 4,1%. Дальнейшее увеличение приводит к заметному повышению водопоглощения. Наименьшее водопоглощение (4,1%) образцы имеют при г/м=4,3 (воздвиженская глина=100%, таблица 3).

Рис. 2. Зависимость водопоглощения керамических смесей от соотношения г/м

Добавка в неспекающиеся глины Воздвиженского месторождения 10-20% глины Смышляевского месторождения способствует спеканию образцов до 4,5-4,7 (таблица 4, состав 3-4, рисунок 2). Образцы из глины Кротовского месторождения перестают спекаться при добавлении к ней 20% глины Смышляевского месторождения (табл. 4, состав 2, рисунок 2).

Введение Смышляевской монтмориллонитовой глины в полиминеральную глину Образцовского месторождения, как показали исследования, оказывает заметное положительное влияние на спекание образцов при температуре обжига 1100^оС (таблица 4, состав 3-4, рисунок 2).

Таким образом, исследование влияния соотношения гидрослюда/монтмориллонит на спекание гидрослюдистых и полиминеральных Самарских легкоплавких глин показало, что оптимальное количество соотношения гидрослюда/монтмориллонит = 1,574,3 при 1100^оС способствует спеканию керамических образцов.

Литература:

1. Абдрахимов, Д.В. Степень спекания глинистых материалов / Д.В. Абдрахимов, Е.С. Абдрахимова, В.З. Абдрахимов // Стекло и керамика. – 1999. – №6. – С. 25-27.

2. Шаламова, И.В. Исследование спекания смесей каолинитовой глины – бентонит и разработка на этой основе низкотемпературных плиточных масс / И.В. Шаламова, В.Ф. Павлов // Тр. ин-та НИИстройкерамики. – 1980. – Вып. 40. – С. 16-26.