CC BY
51
А. М. Салахов, А. И. Хацринов, Р. М. Нафиков
ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРА СВЯЗЕЙ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОНДУКТОМЕТРИИ
Проведена работа по изучению характера связей керамических материалов методом кондуктометрии. Глины и их композиции, обожженные при различных температурах, демонстрируют различные значения удельной электропроводимости (УЭП).
Применение керамических строительных материалов во всем мире имеет устойчивую тенденцию к росту.
Керамические кирпичи и камни, керамические облицовочные материалы, черепица обладают неограниченными архитектурными возможностями. Номенклатура строительных керамических изделий значительно расширилась. При всем разнообразии керамических материалов их объединяют общие свойства. Это прочность и твердость, так же способность выдерживать высокие температуры, не деформируясь (огнеупорность). Устойчивость к агрессивным воздействиям внешней среды, даже к сегодняшним «кислотным дождям». И долговечность, апробированная тысячелетней эксплуатацией. Эти общие свойства керамических изделий связаны с сырьевыми материалами, из которых они изготовлены, и с методами их производства. Изучение природы керамических материалов показало, что они представляют собой смесь кристаллических, рентгеноаморфных, в т. ч. и стекловидных фаз, а так же поровой фазы, весьма различных по составу, количественному соотношению и взаимному расположению [1].
С целью улучшения их потребительских свойств и снижения энергоемкости и материалоемкости их производство непрерывно совершенствуется.
Однако не секрет, что производство керамических изделий сопровождается значительными энергозатратами, обусловленными высокими температурами обжига сырья. Так по данным статистики в среднем на сушку и обжиг керамического кирпича энергии расходуется около 2,5 МДж/кг. Оптимизация же процессов термообработки позволяет снизить эту величину до 1 МДж/кг. В связи с этим оптимизация режимов термообработки для получения керамического материала с заданными характеристиками является актуальной задачей.
Одним из критериев свидетельствующих о завершении обжиговых процессов («керамизации») является установление стабильных связей. Стабильность связей может быть охарактеризована переходом ионных связей в ковалентные, при которой степень ионности, ковалентности остается постоянной в значимом интервале температур).
Ковалентная связь возникает в результате обобщения электронных плотностей взаимодействующих атомов одного сорта. В молекулах, состоящих из атомов разного сорта электронное облако несимметрично, и смещено к одному из ядер атомов. Такая связь имеет постоянный дипольный момент и является полярной. В предельном случае полярности возникает ионная связь - полное разделение электронных плотностей как результат взаимодействия атомов с разными зарядами.
В данной работе сделана попытка выявления методом кондуктометрии закономерностей поведения глинистого сырья различных месторождений в широком интервале температур, с целью выбора оптимальных режимов термообработки.
Исследовалось изменения удельной электропроводимости их водных вытяжек. Важным свойством воды является ее высокая диэлектрическая постоянная, то есть величина, отражающая силу притяжения противоположных электрических зарядов в веществе. В сочетании со стремлением молекул Н2О присоединяться к ионам, она обеспечивает необычайную способность воды к растворению ионных веществ. Связь между ионами в растворе ослабевает вследствие окружения их молекулами воды, ориентированными к ним противоположно заряженными сторонами. Вода способна растворять и удерживать в таком состоянии ионные соединения [2].
Таким образом, о степени ионности или ковалентности связей в различных керамических материалах можно судить по изменению электропроводности их водных вытяжек.
Нами была поставлена задача установления зависимости удельной электропроводимости водных вытяжек от температуры обжига различных глин и их композиций.
Известно, что характер связей может быть установлен различными методами, например степень ионности или ковалентности связи могут быть приближенно найдены по ИК - спектрам [3]. Анализ литературных данных показал, что методом кондуктометрии были сделаны попытки выявления характера связей строительных материалов, в частности в процессах твердения бетонов[4], однако применение данного метода в технологии керамики, по мнению авторов статьи, освещены не достаточно широко.
На предмет установления характера связи в данной работе были исследованы различные по характеру и составу глины: глинистый мергель Максимковского
месторождения, красножгущиеся глины Шеланговского и Саранского месторождений, а также композиция красножгущейся глины Шеланговского месторождения модифицированной мергелем.
Для сравнения в качестве модельных образцов были взяты ЭЮ2 и ЫаО!, как вещества с преимущественным преобладанием доли ковалентной (ЭЮ2) и ионной (ЫаО!) связи. Значения УЭП составили 20,69 мкСм/см и 70,6 мСм/см соответственно (рис. 1,2).
400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Температура,°С
Рис. 1 - Зависимость УЭП водных вытяжек глин Максимковского (кривая 1) и Шеланговского (кривая 3) месторождения, а так же их композиции в соотношении 1 : 1 (кривая 2)
400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Температура, °С
Рис. 2 - Зависимость УЭП водной вытяжки глины Саранского месторождения
Представленные рисунки отражают различное поведение глин различного состава. Так на рисунке 1, кривые 1 и 2 видно значительное увеличение значения УЭП в интервалах температур 700 - 900 0С, что может указывать на разложение карбонатов, содержащихся в мергелистых глинах. Приведенные данные коррелируют с данными
рентгенофазового анализа [5]. Указанный пик не фиксируется на рисунке 1, кривая 3 и на рисунке 2, в виду отсутствия карбонатов.
Некоторая стабилизация связей наблюдается в интервалах температур 900 - 12000С, где значения УЭП схожи, что может свидетельствовать об образовании соединений с преимущественно ковалентным типом связей. По данным рентгенофазового анализа в этом интервале температур фиксируется наличие волластонита и пироксенов.
Результаты, полученные данным методом, по нашему мнению, позволят перейти от эмпирического подхода к выбору режимов обжига к более детальному, научно обоснованному подходу. По данным УЭП, можно судить о максимальной температуре обжига и о скорости подъема температуры, так например, на кривых УЭП (рис. 1, 2) наблюдается некоторая стабильность значений в интервале температур обжига (900 - 12000С), что может свидетельствовать о завершении тех или иных процессов (в данном случае образование пироксенов и волластонита), подъем температуры выше 900 - 10000С будет нецелесообразен. Так же на участке 600 - 8000С (рис. 1), где наблюдается скачок значения УЭП, имеет смысл несколько снизить скорость нагрева керамической массы. Однако данная работа требует дальнейшей проработки с конкретными рекомендациями к технологическим режимам, так же не учтено влияние временных водорастворимых примесей, которые не окажут влияние на эксплуатационные свойства готового продукта, но отразятся на графике УЭП.
Заключение
В данной работе была сделана попытка изучения характера связей керамических материалов методом кондуктометрии. Показано, что различные глины и их композиции демонстрируют различные значения удельной электрической проводимости, в зависимости от температуры обжига. Полученные результаты коррелируют с данными полученными традиционными методами изучения керамических материалов (рентгенофазовый, дериватографический и др.).
Изучение характера связей данным методом поможет в решении ряда задач, таких как оптимизация процессов обжига керамических изделий и построение кривой обжига.
Экспериментальная часть
Г лины и их композиции, обожженные при различных температурах (время обжига изделий 2 ч), измельчали, просеивали через сито с диаметрами ячейки 1,0-1,3 мм, 5 г фракции затворяли в 100 мл бидистилированной воды. Образцы выдерживали в течение 5 сут. Далее отфильтровывали и анализировали фильтрат на кондуктометре «Эксперт-002». Удельная электропроводимость бидистилированной воды составляла 6 мкСм/см.
Литература
1. АвгустиникА.И. Керамика. Л.: Стройиздат, 1975 645c.
2. ДриверДж. Геохимия природных вод. М. Мир, 1985. 300c.
3. Перчук Л.Л. Термодинамика минералов, http://geo.web.ru/~serg/Perchuk/
4. Гаркави М.С. Термодинамический анализ структурных превращений в вяжущих системах. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 83 с.
5. Салахов А. М., Туктарова Г. Р., Морозов В. П. Особенности структурообразования при сушке и обжиге модифицированных керамических масс // Строительные материалы. 2005. № 11. С. 46 - 48.
© А. М. Салахов - канд. техн. наук, доц. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; А. И. Хацринов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; Р. М. Нафиков - асп. той же кафедры.
