Электрокинетический потенциал глиняных масс и его влияние на технологические свойства керамических материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.11, кандидат технических наук Скворцов, Александр Владимирович

• Скворцов, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скворцов, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

1.1. Сырье керамической промышленности.

1.2. Минеральный состав частиц глинистых частиц.

1.3. Классификация форм влаги в глиняных массах.

1.4. Гигроскопичность глин.

1.5. Рыхло связанная вода.

1.6. Свойства связанной воды.

1.7. Глинообразующие минералы.

1.7.1. Глинообразующие минералы группы каолинита (каолинит и галлу азит).

1.7.2. Глинообразующие минералы группы гидрослюд.

1.7.3. Глинообразующие минералы группы монтмориллонит.

1.8. Свойства глиняных масс.

1.9. Влияние количественных соотношений различных форм влаги в глине на скорость ее сушки.

1.10. Обменная способность глин.

1.11. Физико-химическое взаимодействие твердых частиц глинистых грунтов с водой.

1.12. Влияние ^-потенциала.

1.13. Устойчивость и коагуляция коллоидных силикатных систем.

1.14. Обменная адсорбция глинистых грунтов.

1.15. Кривая Бигота.

ГЛАВА 2. Методы исследования.

2.1. Определение электрокинетического (Q потенциала.

2.2.1. Подготовка сырья.

2.2.2. Определение направления и скорости электроосмоса.

2.3. Методика построения кривой сушки.

2.3.1. Подготовка и переработка сырья. Формование образцов и занесение результатов в программу расчета.

2.3.2. Определение воздушной усадки.

2.3.3. Определение влажности.

2.3.4. Определение критической влажности материала.

2.3.5. Определение градиента влажности.

2.3.6. Определение чувствительности образцов к сушке.

2.3.7. Определение пластичности по кривой сушки.

2.3.8. Пример построения кривой сушки в программе MathCAD.

2.4. Определение пластичности по ГОСТ 21216.1-93.

ГЛАВА 3 Взаимосвязи электрокинетических потенциалов с сушильными свойствами глинистых шихт.

3.1. Добавка диатомита в глины.

3.2. Добавка речного песка в глины.

3.3. Добавка известняка в глины.

3.4 Добавка Максимковской глины с повышенным содержанием кальцита.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрокинетический потенциал глиняных масс и его влияние на технологические свойства керамических материалов»

Актуальность темы. Строительная керамика — большая группа керамических изделий, применяющихся при строительстве жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений. Основным сырьем для производства керамических материалов и изделий являются глины. В последнее время развернулись научно-исследовательские работы, направленные на усовершенствование технологии и повышении качества керамических изделий, получаемых методом пластического формования. По результатам всестороннего изучения процессов и явлений, происходящих во время сушки свежесформованных керамических образцов, можно обеспечить снижение длительности технологического цикла, а также повысить качество изделий. Для этого нужно изучить природу поверхностных сил взаимодействия глинистых частиц с водой. Правильная оценка пластичности и структурно-механических свойств возможна лишь при уяснении физико-химической сущности процессов, протекающих в глинах при увлажнении, поэтому вопрос о характере взаимодействия воды с твердой фазой системы глина-вода является одним из основных, имеющих большое практическое и теоретическое значение.[5]

Глина и сырье, используемое в керамической промышленности, является высокодисперсными системами. При затворении их водой и придании массе определенной пластичности образуется коллоидная система.

В технологии производства керамических материалов дообжиговые свойства глин и добавок, используемых в производстве, играют одну из ключевых ролей. Существует множество способов определения отдельных свойств глин, но на данный момент не существует единого метода определения таких основных параметров глинистых материалов, как пластичность, критическая влажность, градиент влажности, усадка чувствительность к сушке, формовочная влажность, что существенно замедляет работу заводских лабораторий.

Таким образом, рассмотрение процесса формирования керамической шихты, а так же процессов сушки целесообразно рассматривать с точки зрения коллоидной химии в сочетании с определением технологических параметров сырья.

В данной работе изучались электроповерхностные явления глиняных масс с содержанием различных добавок природного сырья (диатомита, речного песка, известняка и глины с повышенным содержанием высокодисперсного кальцита) для производства керамических изделий, в частности керамического кирпича на базе существующего предприятия ОАО «Керамика синтез».

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база на 2007 — 2010 год» (Программа 53)

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Определены электрокинетические потенциалы глиняных масс и выявлена их взаимосвязь с сушильными свойствами глинистых минералов.

2. Проведено комплексное исследование глинистых минералов месторождений Шеланга, Жуково и Берлек.

3. Разработана универсальная методика определения формовочной влажности, усадки, критической влажности, градиента влажности, чувствительности к сушке, а так же пластичности сырья и шихт, используемых в керамической промышленности.

4. Разработан способ регулирования сушильных свойств глинистого сырья по коллоидно-химическим свойствам материалов.

Практическая значимость.

В настоящее время промышленность керамических материалов бурно развивается. Стройиндустрия предъявляет все более высокие требования к керамическим материалам. И возникает необходимость вовлечения в производство новых месторождений глинистых минералов. Эта задача может быть эффективно решена путем целенаправленного регулирования технологических параметров по коллоидно-химическим свойствам исходного сырья.

1. По результатам анализа электрокинетических потенциалов глиняных масс предложены составы шихт для изготовления керамического кирпича из глин месторождения Шеланги РТ.

2. Разработана методика прогнозирования критической влажности глинистых материалов по их электрокинетическим потенциалам.

3. Предложен способ регулирования технологических параметров в производстве керамического кирпича.

4. Разработана программа расчета сушильных свойств и пластичности глиняных шихт по кривой сушки.

Цель работы. Разработать способ регулирования сушильных свойств глинистого сырья по коллоидно-химическим свойствам исходных материалов.

Задачи:

1.Определить электрокинетический потенциал глинистых материалов.

2.Разработать методику определения дообжиговых технологических свойств сырья используемого в керамической промышленности (формовочная влажность, усадка, критическая влажность, градиент влажности, чувствительность к сушке, а так же пластичность сырья и шихт).

3.Определить взаимосвязь между сушильными свойствами шихты и технологическими режимами ее переработки в керамические изделия.

На защиту выносится следующие результаты.

1. Результаты измерений электрокинетических потенциалов глинистых масс месторождения Шеланга РТ.

2. Методика расчета критической влажности по величине С, — потенциала.

3. Способ регулирования технологических параметров по составу и коллоидно-химическим свойствам исходного сырья.

4. Программа расчета дообжиговых технологических свойств сырья используемого в керамической промышленности (формовочная влажность, усадка, критическая влажность, градиент влажности, чувствительность к сушке, а так лее пластичность сырья и шихт).

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на научно-практическом семинаре «Перспективы развития химической и нефтехимической промышленности в Республике Татарстан» (г.Казань, 2007), на V Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Химическая технология неорганических веществ и материалов» 2005 г., на научной сессии КГТУ за 2008 год, на VI Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Химическая технология неорганических веществ и материалов» 2007 г.

Личный вклад автора

Скворцов А.В. определил электрокинетические потенциалы глиняных масс и выявил взаимосвязь электрокинетического потенциала с сушильными свойствами глинистых минералов, позволяющую прогнозировать сушильные свойства материалов. Разработал универсальную методику определения формовочной влажности, усадки, критической влажности, градиента влажности, чувствительности к сушке, а так же пластичности сырья и шихт, используемых в керамической промышленности. Разработал способ регулирования сушильных свойств глинистого сырья по коллоидно-химическим свойствам материалов. Разработал программу расчета пластичности при помощи построения кривой сушки. Лично проводил экспериментальное подтверждение данных аспектов.

Публикации автора

1) Скворцов, А.В. Влияние аморфного и кристаллического кремнезема на сушильные свойства глиняных масс / А.В.Скворцов, А.С.Чекмарев, А.З.Сулейманова, А.И.Хацринов [Текст] // Вестник казанского технологического университета. - 2006. - №3. - С. 45-52.

2) Скворцов, А.В. Развитие работ Д.И. Менделеева в области керамики / А.В.Скворцов, А.С.Чекмарев, А.З.Сулейманова, А.И.Хацринов [Текст] // Вестник Казанского технологического университета: специальный выпуск. - 2009. - С. 56-64.

3) Скворцов, А.В. Исследование сушильных свойств различных керамических масс / А.В.Скворцов, А.З.Сулейманова // В материалах V научно-технической конференции «Химическая технология неорганических веществ и материалов». Казань. КГТУ, - 2006. - С.152-162.

4) Скворцов, А.В. Влияние кремнезем- и карбонатсодержащих добавок на свойств глин и керамических материалов / А.В.Скворцов // В материалах научно-технической конференции. Научная сессия, Казан. КГТУ, - 2008. -С.31-32.

5) Скворцов, А.В., Влияние ^ потенциала на сушильные свойства глинистых шихт месторождения Шеланга с добавками кристаллического и аморфного кремнезема / А.В.Скворцов // В материалах научно-технической конференции. Научная сессия, Казань, КГТУ. — 2009. — С.22-23.

6) Скворцов, А.В., Взаимосвязь электрокинетического потенциала с сушильными свойствами глинистых шихт с карбонатными добавками / А.В.Скворцов // В материалах научно-технической конференции. Казань, КГТУ.-2009.-С.23.

7) Скворцов, А.В., Подготовка минерального сырья ультразвуковым воздействием / А.В.Скворцов // В материалах научно-технической конференции. Казань, КГТУ. - 2009. - С.23.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов базируется на большом объеме выполненных экспериментов и подтверждена совпадением теоретических и экспериментальных данных. Построенные кривые сушки и определенные с их помощью технологические характеристики сырья коррелируют со значениями электрокинетического потенциала, а также имеют непосредственную связь с исследованиями РКФА и 1СР-спектрометрии сырья.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 95 источников и 13 приложений; изложена на 200 страницах, содержит 86 рисунков и 26 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Коллоидная химия и физико-химическая механика», Скворцов, Александр Владимирович

Основные выводы по результатам работы

1. Установлена взаимосвязь коллоидных и сушильных свойств дисперсных материалов, в частности £-потенциала и критической влажности. Показано, как величину и знак электрокинетического потенциала, можно использовать для объяснения процессов сушки.

2. Показано, что полиминеральная глина с содержанием кальцита 10±2%, как основная компонента шихты, более пригодна для производства керамических изделий, так как имеет меньший градиент влажности, который соответствует содержанию в материале свободной и слабо связанной воды (ее удаление сопровождается усадкой материала).

3. Установлено, что известняк способствует упрочнению структуры вследствие взаимной коагуляции высокодисперсных частиц компонентов. К тому же, сближение разноименно заряженных частиц приводит к перекрытию диффузных слоев воды и переводу ее в свободную. Следствием этого является уменьшение градиента влажности, и соответственно, усадки. Диатомит ускоряет процесс сушки материала, так как обладает высокой пористостью, приводящей к свободному продвижению влаги в последнем, также уменьшает градиент влажности и усадку материала.

4. Разработана универсальная методика, позволяющая по кривой сушки одновременно определять формовочную влажность, усадку, критическую влажность, градиент влажности, чувствительность к сушке, а так же пластичность сырья и шихт, используемых в керамической промышленности.

5. Разработан способ регулирования сушильных свойств глинистого сырья по коллоидно-химическим свойствам материалов.

6. Предложены оптимальные составы шихт для изготовления керамического кирпича из глин месторождения Шеланги. Содержание глин с карбонатами составляет 85 ± 5 %, а известняка не более 4 %; содержание глин без карбонатов — 80 ± 5 %.

7. Предложен способ регулирования технологических параметров в производстве керамического кирпича.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скворцов, Александр Владимирович, 2009 год

1. Салахов, A.M. Увлекательная керамика/ A.M. Салахов. — Казань: Центр инновационных технологий, 2004. — 192 с.

2. Иванова, М.Ф. Общая геология /М.Ф. Иванова. — М.: Высшая школа, 1974. — 400 е.: ил., рис. и табл.

3. Галабутская, Е.А. Система «глина-вода» / Е.А. Галабутская. — М.: Стройиздат, 1984. — 364 с.

4. Гуменский Б.М. Основы физико-химии глинистых грунтов и их использование в строительстве / Б.М Гуменский. М.: Стройиздат, 1965.-485 с.

5. Будников П. П. Керамическая технология, ч. I. Харьков—Киев, 1937.

6. Kohn W. Keramische Rundschau № 47. 7. 1929.

7. Jenks L. E. Journ. Amer. Ceram. Soc. 11. 5. 1928.

8. Salmang H. Sprechsaal № 7, 28. 1928 r.

9. Norton F. H., Hodgdon F. B. Journ. Amer.Ceram.SocXV,3.1932.

10. Zschokke B. Untersuchungen uber die Pfasfizifat der Tone. Berlin, 1902

11. Лебедев А. Ф. Почвенные и грунтовые воды. Изд. 4-е, М.—JI, 1936.

12. Ребиндер П. А. Цитировано по Л. В. Лыкову. Теория суши, М,—Л. 1950

13. Антипов-Каратаев И. Н. Современные методы исследования физико-химических свойств почв, вып. 3, т. IV, стр. 50. Изд АН СССР, 1948.

14. Думанский А, В. Гидрофильность коллоидов и связанная вода Известия АН СССР. 1937, стр. 1165. Отдел математических и естественных наук № 5.

15. Гедройц К. К. Избранные сочинения; т. 2, Сельхозиздат, 1955, стр. 17.

16. Ktihn S.Z. f. Р 2. Diiung. Boden К. Bd. 26, № 11, 1932.

17. Фагелер П. Режим катионов и воды и минеральных почвах. Сельхозизд., 1938, русск, пер.

18. Alten F, und Kurmis В. «Agr, Ch. Beiheft» 21, 32, 1935.

19. Сергеев E, M. Ученые записки МГУ им. Ломоносова, вып. 176 стр. 221), 1956, Геология.

20. Hendricks S. В., Nelson R. A., and Alexander I., Т, Amer. Chem. Soc. Journ. N 62, p. 1437, 1940.

21. Шурыгина E. А. Исследование и использование глин. Материалы совещания во Львове в мае—июне 1957, Изд. Львовск. университета стр. 760.

22. Думанский А. В. Известия Гос. н.-исслед. инстит, колл. химии, вып. 2, 3, 1934.

23. Штейгельберг Е. Я., Энкель Б. Е. Труды Киевского технологического института силикатов, т. 2, стр. 48, 1949.

24. Носова 3. А. Чувствительность глин к сушке, М„ 1947.

25. Галабутская К. А. Доповщ1 АН Украшсько1 РСР. № 6, 1955, стор. 565.

26. Галабутская Е. А. Научные записки Львовского политехнического ин-та, вып. XXIII, серия силикатная, № 1, 1955, стр. 3.

27. Галабутская Е. А, Коллоидный журнал, т. XVI, вып. 3, стр. 166, 1954.

28. Приклонский В. А., Горькова И. М., Окнина Н. А., Реутова Н. С., Чапик В. Ф. Труды лаборатории гидротехнических проблем им. академика Ф. П. Саваренского. М, 1956, т. XIII.

29. Лебедев А. Ф., Труды по с.-х. мет., вып. XII, 21, 1913, СПБ.

30. Лебедев А.Ф., Изв. Донск, с.-х. ин-та, т. 3, 14, 1919. Новочеркаск

31. Лебедев А. Ф, «Почвоведение», №4, 26, 1927.

32. Фадеева В. С. и Ремпель А. М. Определение формовочной влажности глин по величине максимальной молекулярной157влагоемкости. Информационное сообщение. Промстройиздат,1956.

33. Шаров В. С. Новое о глинах и глинистых растворах, применяемыхв бурении на нефть. Сборник под редакц. П. А. Ребиндера, 1940,стр. 132.

34. Гольдштейн М. Н. Сборник «Вопросы геотехники», М., 1956,стр.6.

35. Шаров В. С., Сборник «Искусственное закрепление грунтов». М.,1952, стр. 47.

36. Думанский А.В. Изв. Физ.-хим. Общ. Киев, 1911, стр. 34. Koll.1. Z.12,6,1913.

37. Трофимов А. В. Научно-агр. журн. 4, 560, 1927.

38. Sorensen S. Z. physiol. ch. 103, 15, 1918, 106, 1, 1919.

39. Думанский А.В. и Думанская А.П. Известия Государственный.

40. Научно-исследовательский институт коллоидной химии, вып 2,51,1934.

41. Думанский А.В. Koll. Z. 65,178,1933.

42. Бриндли Г.В. Сборник «Рентгеновские методы определения икристаллическое строение минералов глин». И. Л., Москва ,1955,стр.13.

43. Лазаренко Е.К. Сборник «Исследование и использование глин».

44. Материалы совещания во Львове. Львов, 1958 г., стр. 34.

45. Грим Р.Е., Брэдли В.Ф., Браун Г. Сборник. «Рентгеновские методыопределения минералов глин». И. Л. Москва, 1955, стр. 160.

46. Damour А.А. и Salvetat. Ann. Chim. Phys. (III. 21, 376, 1847 г.)

47. Цитировано по Мак Эвану ДМК.

48. Marschall С.Е. Z. Krist. (А) 91, 433, 1945.

49. Hendrics S.B. Journ. Geol. 50, 276, 1949.

50. Покровский Г. И. Капиллярные силы в грунтах. Госстройиздат,1. М., 1933.158

51. Ребиндер П.А., Сборник, просвещенный памяти академика П.П.

52. Лазарева, М., 1956, стр. 113.

53. Atterberg A. Inter. Mitteil. Bodenkunde Bd. II, H 2/3. 1912.

54. Колясев Ф.Е. Сборник трудов по агр. Физике, 1948, вып. 4, стр. 68.

55. Колясев Ф. Е. и Мельникова М. К. «Почвоведенье», № 3, стр. 146,1949.

56. Галабутская Е.А. Сборник «Капсели и каркасные огнеупорныедетали, применяемые в керамической промышленности», М., 1956,стр. 27.

57. Way Y.T. Trans. R. agricult. Soc. Engl. 11, 313, 1850; 13, 123, 1852;15,491, 1854.

58. Терещенко A.B. и Дудавский И.Е. «Огнеупоры», № 2, 3, 4, 1935.

59. Гедройц К.К. Бюро по земледелию и почвоведению. Учен. Ком.

60. Гл. управл. Землеустр. и землед. Сообщение XXVI, 1915, СПБ.

61. Гедройц К.К. Бюро по земледелию и почвоведению. Учен. Ком.

62. Гл. управл. Землеустр. и землед. Сообщение XV, 1914, СПБ

63. Гедройц К.К. Учение о поглотительной способности почв. М.1933.

64. Edelmann С.Н., Favejee J. Ch. L. Z. Krist 102? 417, 1940.

65. Kelley W. and Jenny H. Soil Sci. 41, 367, 1936.

66. Вернадский В.И Очерки геохимии, M., 1934.

67. Marshall С.Е. The colloid chemistry of siliate minerals. New Jork,1949.

68. Антипов — Каратаев И.Н., Вишняков А.Г., Сечеванов В.Г. Кизучению природы почвенного поглощающего комплекса. Труды1. Ловиуаа, 6, 23, 1933

69. Никольский Б.П. «Почвоведение», 2, 180, 1934.

70. Никольский Б.П. Современные методы исследования физикохимических свойств почв., вып. 3, 144, 1948.

71. Никольский Б.П. и Григоров О.Н. ДАН, т. 50, 325, 1945.159

72. Парамонова В.И. и Матерова Е.А. «Почвоведение», №6, 31, 140.

73. Антипов — Каратаев И.Н. и Робинерсон А. И. Физико — химическоеисследование почв. Труды Ленинградского отделения Виуаа, вып.17, 7, 1933.

74. SegerH. Tonind. Ztg. 15, 813, 1891

75. Quincke. Poggendorffs Ann. 113, 531. 1861.

76. Schwerin. Геом. Пат. 253429, 1911.

77. Hardy W.D. Z. phys. Chem. 33, 385. 1900.

78. Burton E.F. Philos. Mag. 11, 425. 1906.

79. Шаров B.C. Почвоведение, №6, 121, 1936.

80. Туманов С.Г. Сб. «Литье фарфоро-фаянсовых изделий икапселей». Гизместпром, 1939, стр.5.

81. Чернов В.А. и Шапошников. Труды общесоюзного институтастроительной керамики «НИИстойкерамика», вып.З, 1950, стр.164, Москва.

82. Weimarn P. Zur Lehre von den Zustanden der Materie. Bd. 1 и 21. Dresden, 1941.

83. Баранова, В.И. Практикум по коллоидной химии / В.И. Баранова,

84. Е.Е. Бибик, Н.М. Кожевникова; под редакцией Лаврова И.С. М.:

85. Высшая школа, 1983. — 216 е., ил.

86. Практическое руководство к лабораторным работам поколлоидной химии: методические указания / Казан, гос. ун — т;сост. В.В. Горбачук, В.А. Загуменнов, В.А. Сироткин. Казань,2001.-56 с.

87. Думанский, А.В. Электроповерхностные свойства торфа /А.В.

88. Думанский, М.В. Чапек // Коллоидный журнал. 1935. - №7 (2)с 71.

89. Думанский А.В. Лиофильность дисперсных систем / А.В.

90. Думанский. — Киев: Издательство академии наук Украинской ССР,1960.-211 с.

91. Сайфуллин Р.С. Толковый словарь — справочник по физике, химии и хим. технологии на русском, татарском и английском языках / Р.С. Сайфуллин, Г.Г Хисамиев. — Казань, 1995. — 272 с.

92. Горшков В.П. Физическая химия силикатов / В.П. Горшков. — М.: Стройиздат, 1978. 367 с.

93. Kornmann, М./ М. Kornmann// L'INDUSTRIE CERAMIQUE & VERRIERE. 2006. - № 1005. - С. 44-5384. рН-метр-милливольтметр рН-150 MA: Руководство по эксплуатации / Общество с ограниченной ответственностью «АНТЕХ-МАРКЕТИНГ». Гомель, 2004. - 16 с.

94. Книгина, Г.И. Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей/ Г.И. Книгина- М.: Высшая школа, 1977. — 223 с

95. Фридрихсберг, Д.А. Курс коллоидной химии / Д.А. Фридрихсберг.- Л.: Химия, 1974. 325 с.

96. Думанский, А.В. Влияние рН на электроповерхностные свойства почв /А.В. Думанский // Коллоидный журнал. 1933. - № 9. - С. 45-49.

97. Дерягин, Б.В. Поверхностные силы / Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, В.М. Муллер. М.: Наука, 1985. - 398 с.

98. Тихомолова, К.П. Электроосмос / К.П. Тихомолова. Л.: Химия, 1989.-248 с.

99. Григоров, О.Н. Электрокинетические свойства капиллярных систем / О.Н. Григоров. М.:Изд-во АН СССР, 1956. - 120 с.

100. Григоров, О.Н. Электроповерхностные явления в дисперсных системах / О.Н. Григоров, Д.А. Фридрихсберг. М.: АН СССР, 1972. - 86 с.

101. Готиков, В.М. Изучение электроповерхностных свойств карбонатов / В.М. Готиков, Н.П. Малиновская // Коллоидный журнал. 1936. - №2. - С.56-59.

102. Кузьмин, В. В. Формирование структуры и свойств керамического кирпича из мергелистых глин: дис. . канд. техн, наук / В. В. Кузьмин, М., РГЕ, 2005. - 243 с.

103. Чернявский, Е.В. Производство глиняного кирпича Изд. 2-е, доп. и перераб./ Е.В. Чернявский М.: Стройиздат, 1974. - 142 с.