Свойства глинистых материалов в производстве
керамических изделий
Свойства глинистых материалов наиболее полно
определяются при увлажнении их водой. Глинистые материалы по-разному
поглощают влагу из воздуха, взаимодействуют при непосредственном
увлажнении, неодинаково отдают влагу при сушке, так как вода по-разному
связана с глинистыми частицами.
Формы связи влаги с материалом в системе глина — вода по классификации
П. А. Ребиндера можно разделить на три вида: химическую,
физико-химическую и физико-механическую. Химическая вода входит в
кристаллическую решетку глинистых материалов и удаляется при 550—600° С.
Физико-химическая влага может быть в виде адсорбционной (вода гидратных
оболочек), осмотической или структурной. Физико-механическая влага, в
свою очередь, подразделяется на влагу макро-(>1 мкм) и микрокапилляров
(<1 мкм) и влагу смачивания. Влагу физико-химическую и
физико-механическую также можно разграничить на свободно- и
прочносвязанную. Прочносвязанная вода входит в гидратную оболочку
глинистых частиц.
Общее количество прочносвязанной воды у глин и каолинов различно 'и
составляет: у монтмориллонита 10—25%, часов-ярской глины 9—10, каолинов
2—4%. В фарфоровой массе с влажностью 22—23% по массе объем воды 42—45,
а объем прочносвязанной воды 0,8—1% общей влажности материала.
Свободносвязанная вода размещается между глинистыми частицами в
капиллярах и подчиняется законам гидростатики.
Каждому виду глины и каолина присуще свое определенное водосодержание,
при котором в наилучшем виде проявляются их керамические свойства: у
каолинов 27—31%, часовярской глины 30—32%, трошковской глины 30—36%.
Количество воды рабочего родозатворения зависит от минералогического
состава, дисперсности и природы обменных катионов и анионов.
Влага в керамических массах выполняет роль смазки при перемещении
частиц. При влажности 32—33% керамическая масса разжижается (в
присутствии электролитов) и становится пригодной для изготовления
изделий методом отливки.
Пластичность — способность тестообразной керамической массы принимать
под влиянием внешних усилий любую форму без разрывов и трещин и
сохранять ее после внешнего воздействия. Пластичность можно
рассматривать как промежуточное состояние между хрупким и вязкотекучим
состоянием материала. Мера (число) пластичности определяется как
разность между влажностью предела раскатывания (масса крошится) и нижней
границей текучести (масса растекается). По пластичности глинистое сырье
разделяют на пять групп: высокопластичное, среднепластичное,
умереннопластичное, малопластичное и непластичное с числом пластичности
соответственно более 25, 25—15, 15—7, менее 7; непластичные не дают
пластичного теста. У непластичных материалов пределы раскатывания и
растекаемости совпадают. Такое определение пластичности условно и не
характеризует истинное значение этого важнейшего свойства глинистых
материалов и масс на их основе, которое до настоящего времени еще не
полностью изучено.
Более точно пластичность характеризуется данными, получаемыми при прямом
измерении деформации при сжатии, прочности при растяжении и удлинении,
срезе (сдвиге) и скручивании, по величине линейной усадки при сушке,
прочности на изгиб высушенных образцов. На пластичность влияют природа
минералов и количественное соотношение их в массе, величина частиц и их
форма, особенности поверхности частиц, ионообменная способность,
количество воды и растворенные в ней вещества, величина поверхности,
взаимодействующей с водой.
Пластичность можно понизить добавлением непластичных материалов: песка,
боя изделий (шамота), более тощих глин. Плавни в сырых массах также
играют роль отощающих добавок. Повысить пластичность масс можно вводом
пластифицирующих добавок, длительным вылеживанием, вакуумированием,
Ионнообменная способность — вид и количество
адсорбируемых .катионов — оказывает большое влияние на систему глина —
вода. В естественном состоянии на поверхностях глинообразующих минералов
чаще всего адсорбируются катионы Са2+, Mg2+, Na+, Н+, которые при
использовании растворов электролитов в большинстве случаев легко
обмениваются с другими ионами. Причиной адсорбции ионов является их
неправильное распределение в октаэдрических и тетраэдрических слоях
глинистых минералов. Обменные катионы каолинита главным образом
адсорбируются на свободной от гидроксильных групп площади основания,
содержащей гидроксильные группы по краям кристаллов. Ионную способность
глинистых минералов учитывают при подготовке пластичных масс и особенно
литейных шликеров.
Мерой емкости обмена (емкость поглощения) принято называть количество
катионов или ионов (г/моль * 1000), поглощенных 100 г глины и способных
к обмену. Емкость катионного обмена возрастает с уменьшением размера
глинистых частиц. Величина емкости поглощения колеблется, у каолинов она
составляет 3—15, каолинитовых глин 9—20, гидрослюдистых глин 10—40,
бентонитов 40—150 г/моль • 1000.
Связующая способность глинистых материалов проявляется в том, что они в
массах связывают значитель~ рое количество отощающих материалов,
обеспечивая при этом достаточную прочность высушенного полуфабриката.
Количественношязующая способность характеризуется пределом прочности при
изломе воздушно-сухих образцов. ТонкОдисперсные, высокопластичные глины
обладают большей механической прочностью (0,9— 3 МПа), чем
грубодисперсные каолины (0,6—2,5 МПа), хотя прямая зависимость между
силами сцепления глинистых частиц и дисперсностью глин не установлена.
Гигроскопичность — способность глин и каолинов поглощать влагу из
воздуха — тем выше, чем больше они содержат тонких фракций (<1 мкм).
Гигроскопичность глин при нормальных условиях (20°С и 75% относительной
влажности воздуха) 8—9%, у каолинов 2—4%. Высокая гигроскопичность
высушенного полуфабриката затрудняет обжиг изделий, особенно по
скоростному режиму, и может быть причиной ухудшения качества изделий.
Разжижаемость — важное свойство глинистых материалов, определяющее
пригодность их для изготовления
изделий способом литья гипсовые формы.
Разжижению глинистых материалов и получению литейных шликеров (глинистых
суспензий) с минимальной влажностью способствуют электролиты, особенно
щелочные, содержащие катионы натрия. Количество вводимых электролитов
зависит от минералогического состава глинистых материалов, их
дисперсности. Наличие в растворе диссоциированных катионов Са2+ и Mg2+
ухудшает разжижающую способность глин и каолинов, а также литейные
свойства шликеров и вызывает их загустевание. Введение в массу
одновалентных катионов металлов или аммония (сода, жидкое стекло и др.)
обеспечивает такое разжижение шликера, при котором вязкость его
становится минимальной при наименьшем содержании воды, что обеспечивает
получение хороших отливок.
Зыбкость глинистых материалов — способность нормальной на вид пластичной
массы растекаться при незначительном встряхивании. Зыбкость
увеличивается у каолинов электролитного обогащения, если перед
обезвоживанием избыточная щелочность не была нейтрализована. Зыбкость
каолинов и масс снижается при добавлении коагулянтов — известкового
молока, хлористого кальция, соляной кислоты, сернокислого кальция и др.
Набухание глин происходит при поглощении частицами глины паров воды и
конденсации влаги в капиллярах и особенно при непосредственном
увлажнении водой. Набухание определяется действием адсорбционных,
осмотических, капиллярных сил. Различают внутрипакет-ное
(внутрикристаллическое) и осмотическое набухание. У каолинов и
каолинитовьгх глин внутрикристаллическое набухание отсутствует, и
набухание обусловливается только капиллярным всасыванием. Степень
набухания каолинов в основном соответствует общей пористости материала.
У монтмориллонита набухание обусловливается внедрением воды в
межпакетное пространство кристаллической решетки, а также осмотическими
силами. Величина набухания каолинов невелика (14—16%), у глин она больше
(35—40%) и весьма значительна у бентонитов (до 16 раз). Процесс
набухания глинистых частиц сопровождается небольшим выделением теплоты,
что указывает на физико-химическую природу этого явления.
На величину набухания влияют минералогический и гранулометрический
состав, гидрофильность глины, ха-рактер строения поверхности частиц,
характер обменных катионов, полярность среды. При значительном
увлажнении происходит размокание глинистых материалов.
Подогрев воды ускоряет процесс размокания. Пластичные глины труднее
размокают, чем тощие.
Тиксотропия есть самопроизвольное обратимое упрочнение (уплотнение)
керамической массы. Она возможна как у пластичных масс, так и у шликеров.
Тиксо-тропное упрочнение керамической массы связано с развитием
сольватных оболочек на глинистых частицах. Оно протекает неравномерно. В
течение первых 1—2 сут прочность нарастает более активно, а затем этот
процесс замедляется. Массы в состоянии тиксотропного упрочнения
непригодны для формования. Их необходимо подвергнуть вторичному промину
на шнековом прессе, а суспензии — интенсивному перемешиванию.
Воздушная усадка — способность свежесформованного полуфабриката
уменьшать линейные размеры в результате удаления из него влаги при
сушке. Она зависит от природы глин и каолинов, их дисперсности, размера
и формы частиц, их ионообменной способности, количества воды затворения
и содержания в массе отощающих материалов. Чем больше ионообменная
способность и удельная поверхность глинистых материалов, тем больше
расход воды для затворения и тем выше воздушная усадка. Воздушная усадка
способствует отделению за-формованных изделий от гипсовых форм в
процессе сушки. Однако чрезмерная усадка при сушке приводит к
растрескиванию и деформации изделий. Величину воздушной усадки снижают
введением в массу отощающих материалов.
Прочность в высушенном состоянии характеризуется величиной предела
прочности при изгибе высушенных образцов. Прочность при изгибе наиболее
полно характеризует связь между числом пластичности, ионообменной
способностью и удельной поверхностью глинистых материалов. Снижение в
массе содержания отощающих материалов, введение пластифицирующих
(бентонит и др.) или поверхностно-активных добавок способствуют
повышению прочности изделий в высушенном состоянии.
Огнеупорность глинистых материалов условно определяется температурой,
при которой образец — трехгранная усеченная пирамида из глины со
стороной нижнего основания 8, верхнего 2 и высотой 30 мм настолько
размягчается, что ее вершила наклоняется й слегка касается поверхности
подставки. Глинистые материалы, не имеющие постоянного состава,
размягчаются постепенно в широком интервале температур.
В зависимости от огнеупорности глины подразделяются на три группы:
огнеупорные (О), тугоплавкие (Т) и легкоплавкие (Л). Огнеупорность глин
О выше 1580° С. Эти глины имеют полиминеральный состав, тонкодисперсные,
пластичны во влажном состоянии, обладают хорошей формующей способностью,
что является их отличительной особенностью по сравнению с каолинами.
Однако они имеют менее ясно выраженное кристаллическое строение и более
загрязнены, чем каолины.
Огнеупорность тугоплавких глин колеблется в пределах от 1350 до 1580° С.
По сравнению с огнеупорными глинами в них больше плавней (10—18%), они
приобретают после обжига более темную окраску. Тугоплавкие глины
используют в производстве химически стойких изделий, а также изделий
бытового и строительного назначения.
Огнеупорность легкоплавких глин ниже 1350° С. Содержание плавней может
быть до 30%. Эти глины отличаются большим непостоянством
химико-минералогического состава. После обжига они окрашиваются в темные
цвета. Используют легкоплавкие глины в производстве строительной
керамики.
Спекшееся состояние характеризуется разностью температуры полного
спекания и температуры начала деформации образца (пирамидки) под
влиянием собственной массы. Величина этого интервала у разных глин
колеблется от 10—20 до 100—250° С и больше.
По спекаемости различают глины сильноспекающиеся, среднеспекающиеся и
неспекающиеся, способные при обжиге давать черепок без признаков
пережога, с водо-поглощением соответственно не более 2, не более 5 и
более 5 %.
В зависимости от температуры спекания глинистое сырье разделяется на
группы низкотемпературного спекания— до 1100° С, среднетемпературного с
температурой спекания 1100—1300° С и высокотемпературного — свыше 1300°
С. По температуре спекания классифицируется только спекающееся глинистое
сырье.
Полностью спекшийся черепок характеризуется минимальным водопоглощением
(1—2%), отсутствием дополнительной усадки при обжиге при нагревании до
более высокой температуры.
Интервал спекшегося состояния глины — важный показатель, определяющий
область рационального использования глин. Чем больше интервал спекания,
тем легче управлять процессом обжига, особенно изделий с плотным
спекшимся черепком.
Усадка при обжиге (огневая усадка) — способность воздушно-сухих изделий
изменять линейные размеры в результате физико-химических процессов. При
одинаковых условиях тепловой обработки огневая усадка тем выше, чем
дисперснее глинистые материалы и чем больше в них плавней (флюсов).
Усадку при обжиге снижают отошающие добавки и более крупный помол
компонентов массы. Усадка при обжиге каолинов и каолинитовых глин
2—17%, гидрослюдистых глин 9—15%, монтмориллонитовых глин до 23% •
Водопоглощение — свойство пористого черепка поглощать и удерживать воду
при непосредственном соприкосновении с ней. Водопоглощение обожженных
изделий резко снижается с повышением содержания плавней в массе, тонины
помола компонентов массы, степени спе-к2ния, возрастанием огневой
усадки. Водопоглощение является мерой полноты спекания материала
изделия.
Цвет глин и каолинов в природном состоянии от белого до черного. Окраску
определяют органические и неорганические примеси, всегда имеющиеся в
глинистых материалах. Каолины, в отличие от глин, содержащих
значительное количество красящих примесей, имеют более светлую, до
белой, окраску. Цвет обожженных изделий определяется примесями
минерального происхождения, температурой обжига и характером печной
атмосферы (восстановительная, окислительная, нейтральная). Органические
примеси не влияют на цвет обожженных изделий. Вредными примесями в
фарфоровых и фаянсовых массах являются соединения железа и титана,
снижающие белизну изделий. В массы изделий с повышенными требованиями по
белизне вводится минимальное количество глины, необходимое для получения
массы с достаточной формовочной способностью.
Цвет глин после обжига — от белого до темно-коричневого. Огнеупорные
глины используют для производства огнеупоров, а беложгущиеся — в
производстве фарфоровых и фаянсовых изделий бытового и строительного
назначения, химически стойких и других изделий.