Теоретические основы получения декоративно-облицовочных стекломатериалов на основе техногенного сырья Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.264: 666.127

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕКОРАТИВНО-ОБЛИЦОВОЧНЫХ СТЕКЛОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ

ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

© 2013 г. Е.А. Лазарева, О.В. Кузнецова, Ю.С. Тышлангян

Лазарева Елена Александровна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-35. E-mail: Lazarewa-urgtu@mail/ru

Кузнецова Оксана Владимировна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-35. E-mail: [email protected]

Тышлангян Юлия Сергеевна - аспирант кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail:[email protected]

Lazareva Elena Alexandrovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Ceramics, Glass, Binders», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-35. E-mail: Lazarewa-urgtu@mail/ru

Kuznetsova Oksana Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Ceramics, Glass, Binders», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-35. E-mail:[email protected]

Tyshlangyan Julia Sergeevna - department «Technology of Ceramics, Glass, Binders», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-35. E-mail: [email protected]

Изложены физико-химические основы и отличительные особенности синтеза стекловидных и стек-локристаллических материалов на основе различных отходов промышленности: доменного шлака, отходов флотационного обогащения угля и др.

Ключевые слова: декоративно-облицовочные стекломатериалы; физико-химические основы синтеза; фазовый состав; структура; эксплуатационно-технические и эстетические свойства; цвет; фактура.

The article describes the physical and chemical principles and features of the synthesis of glassy and glass-crystalline materials based on various waste industry: blast furnace slag, waste coal flotation, etc.

Keywords: arts and cladding glass materials; physico-chemical basis of the synthesis; phase composition; structure; operational and technical and aesthetic properties; color; texture.

Стремительное развитие науки, техники и различных отраслей промышленности, как одной из самых масштабных сфер деятельности человека, обусловливает, наряду с прогрессивными достижениями, негативное влияние на окружающую среду. Ежегодно во всем мире и в нашей стране миллиарды тонн твердых, пастообразных, жидких и газообразных отходов поступают в биосферу, нанося тем самым непоправимый урон природной среде. Несмотря на солидное количество исследований на протяжении нескольких последних десятков лет в области экологически чистого производства, проблема утилизации и переработки промышленных отходов остается до сих пор исключительно актуальной.

В связи с этим на кафедре «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ» ЮРГТУ(НПИ) систематически проводятся научные изыскания и эксперимен-

тальные исследования по решению указанной проблемы. Одним из путей решения этой проблемы является использование техногенного сырья в промышленности строительных материалов.

Применение техногенных отходов в производстве архитектурно-строительных материалов позволяет значительно уменьшить негативные последствия воздействия промышленной деятельности на природу и решать социально-экономические задачи, связанные с развитием жилого и общественного фондов, а также с экологизацией дизайна пространственной среды [1].

К числу строительных материалов на основе техногенного сырья относятся также декоративно-облицовочные стекломатериалы. Известно, что декоративно-отделочные стекловидные и стеклокристал-лические материалы могут быть получены как по стекольной, так и по стеклокерамической технологии.

По керамической технологии для приготовления экспериментальных шихт использовали природное и техническое сырье, применяемое в стекольном производстве, бой листового оконного стекла и зеленого тарного, а также «хвосты» углеобогащения (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав стеклобоя, флотационных «хвостов» углеобогащения, глины

Наименование Флотационные хвосты углеобогащения Стеклобой Глина

SiO2 53,0 71,0 69,19

AI2O3 26,0 1,8 19,1

CaO 5,0 12,0 0,3

MgO 2,0 1,0 0,47

Na2O - 13,7 0,44

FeA 10,0 - 1,69

SO3 - 0,5 -

K2O - - 1,99

TiO2 - - 1,16

iüüi - - 5,08

Разработка оптимального состава стекольной шихты или сырьевой смеси применительно к керамической технологии производилась исходя из принципов ресурсосбережения: экономии топлива и электроэнергии, а также применения в шихтах максимально возможного количества стеклобоя и отходов промышленности [2].

С учетом этих условий, а также требований, предъявляемых к свойствам стекломатериалов, необходимо было исследовать процессы, протекающие при обжиге образцов, разработать технологические параметры обжига стеклокристаллических материалов, установить влияние состава шихты и температур обжига на показатели их свойств [3].

Для синтеза стеклокристаллических материалов были использованы стекольный бой, отходы флотационного углеобогащения, глина, прошедшие следующие стадии подготовки [4]:

- стекло измельчали на шаровой мельнице;

- отходы флотационного углеобогащения, глину измельчали в ступке;

- измельченные компоненты подвергались термической обработке в муфельной печи про температуре 900 °С в течение 1 ч.

Затем все компоненты сырьевой смеси просеивали через сито № 018, отобранные фракции смешивали в заданном рецептурном соотношении, после чего навеску полученного порошка массой 10 г увлажняли 3-4 каплями воды, тщательно перемешивали и прес-

совали образцы в специальной пресс-форме, на гидравлическом прессе (табл. 2).

Отформованные образцы сушили на воздухе, загружали в холодную печь и подвергали обжигу при определенной температуре для разных образцов (табл. 3). После этого проводили визуальную оценку эстетических характеристик материалов [5].

Таблица 2

Составы шихт стеклокристаллических материалов

Содержание, % по массе

№ состава Стеклобой Отходы флотационного углеобогащения Глина

1 90 - -

2 90 10 -

3 85 10 5

С целью изучения формирования структуры и фазового состава стеклокристаллических материалов, синтезированных по керамической технологии, был применен рентгенофазовый анализ, который позволил установить: при введении 30 % отходов углеобогащения в структуре образуются такие кристаллические фазы, как диопсид (3.232; 2,998; 2,529), авгит (2,574;2,529; 2,304), волластонит (3,27; 2,471; 1,881), анортит (4,695; 2,529; 2,139). При введении 50 % отходов углеобогащения в структуре помимо диопсида образуется мервинит (6,607; 4,634; 2,212), фаялит (5215;3,555;2,411) (рис. 1) [6].

При спекании в различных соотношениях стеклобоя, отходов углеобогащения и глины было выявлено, что при температурах спекания выше 830 °С образцы получаются гладкие и блестящие, сохраняются четкие грани и размеры, отсутствует вспучивание. Это можно объяснить, рассмотрев физико-химические процессы, протекающие в отходах углеобогащения. Как показали исследования методом ДТА (рис. 2), на термограмме наблюдаются эндоэффекты (95,5 °С; 760,6 °С), которые связаны с дегидратацией, образованием твердых растворов, разложением карбонатов. Наличие экзоэффекта (670,9 °С) свидетельствуют о сгорании углерода и о возможности формирования кристаллической фазы Са0^е203 при использовании отходов углеобогащения, например, в керамической технологии [7]. Характер термограммы в целом свидетельствует о выделении тепла при выгорании органической составляющей, это подтверждается результатами термографических исследований [8].

Техногенное сырье подвергалось термической обработке при t = 900 °С в течение 1 ч. Для улучшения эстетических и эксплуатационных свойств в образцы системы стеклобой: отход углеобогащения добавляли глину в объем 5 %, прошедшую термическую обработку при t = 900 °С в течение 1 ч. Обжигали образцы по керамической технологии в муфельной печи в интервале температур - 700 - 910 °С [9].

Таблица 3

Технологические параметры синтеза экспериментальных образцов

№ состава Соотношение стеклобой-отход углеобогащения Соотношение стеклобой-отход углеобогащения-глина Температура отжига, °С

1 3 4 5

1 90:10 - 800

2 90:10 - 820

3 90:10 - 825

4 90:10 - 830

5 - 85:10:5 Т1 = 820 Т2= 850 Т 3= 900

6 - 85:10:5 Т1 =820 Т2= 900

Таблица 4

Оптимальные технологические параметры синтеза декоративно-облицовочных стекломатериалов

№ состава Стеклобой : прокаленный отход углеобогащения: прокаленная глина Температура обжига, °С Цвет образца Фактура поверхности стекломатериала

12 85 : 10 : 5 Т1 = 820; Т2 = 900 Коричневый Поверхность гладкая, грани четкие

11 85 : 10 : 5 Т1 = 820; Т2 = 850; Т3 = 900 Коричневый Поверхность гладкая, блестящая, грани четкие

а

б

Рис. 1. Рентгенограммы образцов с содержанием стеклобоя, отходов углеобогащения, природного и технического сырья

100 98 96 94 92 90 88 86 84

/ \

V

100 200 300 400 500 600 700 Температура, °С

Рис. 2. Стеклобой : отход углеобогащения : глина -85 : 10 : 5 при 900 °С

Результаты проведенных исследований позволили установить, что образцы с использованием отходов углеобогащения получаются пористыми при температурах от 820 до 830 °С. При температурах спекания выше 830 °С образцы получаются гладкими и блестящими. Введение стекольного боя в сочетании с отходами углеобогащения приводит к формированию микрозернистой структуры стеклокристаллических материалов, обусловливающей требуемые показатели эксплуатационно-технических и эстетических свойств стекломатериалов.

Такие материалы можно использовать в качестве облицовочного материала или теплоизоляции, в зависимости от пористости полученных образцов [10].

Литература

1. Строительное материаловедение: учеб. пособие / под общ. ред. В.А. Невского: 3-е изд., доп. и перераб. Ростов н/Д., 2010. 588 с.

2. История развития и основы технологии стекла: учеб. пособие / Н.И. Минько, В.М. Нарцев, Р.Г. Мелконян. Белгород, 2008. 396 с.

3. Зубехин А.П., Голованова С.П., Яценко Е.А., Верещака В.В., Гузий В.А. Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов: учеб. пособие / под ред. А.П. Зубехина; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т: 2-е изд, испр. и доп. Новочеркасск, 2006. 283 с.

4. Лазарева Е.А. Технология изготовления художественных изделий из стекла: учеб.-метод пособие к лабораторным работам / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2012. 60 с.

5. Минько Н.И. Избранные труды. Белгород, 2004. 545 с.

6. Жерновая Н.Ф., Павленко З.В. Физико-химические свойства стекол и стеклокристаллических материалов: учеб. пособие. Белгород, 2000. 96 с.

7. Лазарева Е.А. [и др.] Пат. 2276114 РФ МПК С03 С 10\06 Цветной стеклокристаллический материал.

8. Мамедов Э.К. Декоративные облицовочные материалы из

промышленных отходов//Стекло и керамика. 1999. № 9. С. 9.

9. Лазарева Е.А. [и др.] Пат. 2235073 РФ МКИ С 03 С 10/06 Декоративный стеклокристаллический материал.

10 Лазарева Е.А. [и др.] Пат. 2341380 РФ МПК В 44 С 1/28 Способ изготовления художественно-декоративных стекломозаичных изделий.

Поступила в редакцию

13 мая 2013 г.