WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

КЛЕПИКОВ МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАОЛИНОВ ПОЛЕТАЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ И КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность: 02.00.21 – химия твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

.

Челябинск-2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» Научный доктор химических наук, профессор руководитель: Викторов Валерий Викторович Официальные доктор химических наук, профессор кафедры общей и оппоненты: экспериментальной физики ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет (Национальный исследовательский университет)» г. Челябинск Клещев Дмитрий Георгиевич кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории оксидных систем Института химии твердого тела Уральского отделения РАН г. Екатеринбург Васильев Виктор Георгиевич Ведущая Институт геологии Коми научного центра Уральского организация: отделения РАН г. Сыктывкар.

Защита диссертации состоится 28 мая 2012 года в 12 часов, на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.295.06, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» и ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный университет» по адресу:

454080, г. Челябинск, пр. В.И. Ленина, 69, конференц-зал (ауд. 116).

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет».

Автореферат разослан «__» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент Свирская Л.М.

Общая характеристика работы

и ее актуальность.

Каолин является одним из наиболее универсальных видов минерального сырья, используемого в промышленном производстве.

Огнеупорность, химическая инертность, высокая дисперсность, большое содержание глинозема, способность сохранять заданную форму, приобретать высокую прочность после обжига – вот далеко не полный перечень свойств каолина, предопределяющий его использование в производствах тонкокерамических изделий, электрофарфора, строительной керамики и др.

Мировое производство каолина составляет более 40 млн. тонн в год, причем, сохраняется устойчивая тенденция роста потребления каолиновых продуктов, расширяется сфера их применения. Только за последнее десятилетие мировое производство каолинов возросло в 1,6 раза.

С распадом СССР, Российская Федерация осталась фактически без сырьевой базы качественных каолинов. Существующие каолиновые производства обеспечивают потребности российских предприятий только на 10%, предлагая не самые высокие сорта каолинов. В основном в промышленности используют каолины широко эксплуатируемых месторождений Челябинской области, таких как Кыштымское, Журавлиноложское, Еленинское, а также высококачественный каолин Просяновского месторождения (Украина). В этой ситуации актуальной задачей является создание полноценной отечественной сырьевой базы каолинов, прежде всего, путем вовлечения в хозяйственный оборот Полетаевского месторождения каолинов, расположенного в Челябинской области. Каолины данного месторождения смогут удовлетворять требованиям стандартов для производства высококачественных керамических изделий, при условии снижения в них содержания оксидных соединений железа (приблизительно в два раза), приводящих к появлению низкотемпературных эвтектик, при термообработке керамических смесей, и как следствие, к снижению качества изделий.

Решение этой проблемы позволит получать на базе Полетаевского месторождения высококачественные марки каолинов со стабильными физико-химическими свойствами.

Целью диссертационной работы является исследование физикохимических свойств каолинов Полетаевского месторождения Челябинской области и керамических материалов на их основе, разработка способов заданного снижения содержания в них оксидных соединений железа.

Основные задачами исследования являлись:

1. изучение состояния сырьевой базы каолинов в Российской Федерации, странах СНГ и за рубежом;

2. исследование химического, гранулометрического и минералогического составов каолинов;

3. исследование физико-механических свойств изделий на основе каолинов Полетаевского месторождения, подвергнутых стадиям сушки и обжига;

4. разработка способов модифицирования каолинов Полетаевского месторождения, приводящих к стабилизации их физико-химических свойств;

5. изучение возможности применения обогащенных каолинов Полетаевского месторождения в производстве высококачественных керамических изделий.

На защиту выносятся:

1. анализ способов (гидротермальный автоклавный, метод кипячения, воздушная сепарация) модифицирования минералогического состава и очистки от железосодержащих соединений каолинов Полетаевского месторождения;

2. зависимость изменения химического, дисперсного и минералогического составов от выбранного метода модифицирования каолинов Полетаевского месторождения;

3. зависимость механических свойств изделий от физико-химических свойств различных, в том числе, модифицированных каолинов Полетаевского месторождения;

4. обоснование целесообразности модифицирования каолинов Полетаевского месторождения для производства керамики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. впервые установлено, что гидротермальный автоклавный способ модифицирования каолинов Полетаевского месторождения позволяет снизить содержание в них оксидных соединений железа в ~ 2 раза;

2. впервые показано, что метод кипячения каолинов Полетаевского месторождения в 10 мас.% водном растворе HCl позволяет снизить содержание в них оксидных соединений железа в ~ 1,5 раза;

3. показано, что в составе каолинов Полетаевского месторождения, в отличие от других месторождений, оксидные соединения железа (III) присутствуют в виде индивидуальной фазы -FeOOH (минерал лепидокрокит);

4. впервые предложены составы керамических масс на основе каолинов Полетаевского месторождения для изготовления керамического гранита и тонкой керамики.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. разработан и апробирован в лабораторных условиях метод воздушной сепарации обогащения каолинов Полетаевского месторождения, обеспечивающий высокую степень извлечения каолинового продукта из породы;

2. разработаны альтернативные составы керамических масс для изготовления керамического гранита, где впервые используется каолин Полетаевского месторождения. По результатам проведенных исследований поданы заявки на два патента РФ («Керамическая масса», регистрационный номер 2012103130 и «Керамическая масса для изготовления керамического гранита», регистрационный номер 2012103132), авторы: Викторов В.В., Солодкий Н.Ф., Клепиков М.С., Щербаков А.А., Рукавишников В.В.;

3. установлено, что для каолинов Полетаевского месторождения, содержащих более 45% каолинита, применение замкнутого цикла при обогащении методом воздушной сепарации, обеспечивает получение каолинов различной дисперсности, с извлечением до 63% готового продукта;

Личный вклад соискателя состоит в проведении отбора проб каолинов, экспериментальных исследований и выявлении закономерностей полученных результатов, активном участии при обсуждении результатов, в написании статей.

Публикации и апробация работы Основные результаты и положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на VII Всероссийской научной конференции «Керамика и композиционные материалы» (г. Сыктывкар, 2010);

Всероссийской конференции «Химия твердого тела и функциональные материалы» (г. Екатеринбург УрО РАН, в 2010 и в 2011 г.г.) По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, тезисы 3 докладов на Всероссийских конференциях, 1 справочное пособие.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы из наименований. Работа изложена на 105 страницах, содержит 29 таблиц и 23 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

.

Во введении обосновывается актуальность исследования физикохимических свойств каолинов для дальнейшего их применения в производстве различного вида керамики.

В первой главе приведен обзор литературы.

Согласно [1] каолин представляет собой землистую массу – продукт разрушения горных пород, содержит полевые шпаты: альбит (Na[AlSi3O8]), анортит (Са[Al2Si2O8]), слюды и гидрослюды. В составе каолинов преобладает минерал каолинит состава Al4[Si4O10](OH)8 в смеси с зернами кварца, а также присутствуют оксидные соединения металлов (K, Na, Fe(III)), которые в значительных количествах (более 1 мас.%) снижают физико-механические свойства керамических изделий из каолинов.

По существующей классификации [2] различают каолины трех основных типов: I – «неспекающиеся» каолины, II – «неспекающиеся окварцованные» каолины с повышенным содержанием кварца и III – «спекающиеся» каолины. Различие заключается лишь в количественном соотношении минералов группы каолинит-галлуазита, гидрослюд и кварца. Для кондиционных каолинов I типа характерно максимальное содержание каолинита и галлуазита (70-80 мас.%) и минимальное гидрослюд (7-15 мас.%). С понижением каолинита и галлуазита до 40-мас.% и увеличением гидрослюд до 25-45 мас.%, качество каолинов ухудшается, следствием чего является образование каолинов III группы.

Повышенное содержание тонкодисперсного кварца в обогащенном каолине также приводит к ухудшению его качества и образованию каолинов II группы. В рамках этой классификации выделяют две группы различно окрашенных каолинов. К первой группе относятся белые и светло-серые каолины, во вторую входят их цветные разновидности.

В основе кристаллической структуры каолинита лежат бесконечные слои из кремне-кислородных тетраэдров. Эти слои соединены между собой слабыми связями, что обусловливает весьма совершенную спайность каолинита и возможность различного наложения одного слоя на другой, что, в свою очередь, ведет к некоторому изменению симметрии всей кристаллической решетки. Кристаллическая структура состоит из двухслойных пакетов, содержащих один кислородный тетраэдрический слой состава [Si2nO5n]2n и один алюмокислородно-гидроксильный октаэдрический слой состава [Al2n(OH)4n]2n. Оба слоя объединяются в пакет с помощью общих кислородов кремнекислородного слоя [3].

Каолинит кристаллизуется в моноклинной сингонии. Блеск отдельных чешуек перламутровый, а в больших скоплениях – матовый [1].

Твёрдость по шкале Мооса – 2,5-3, плотность – 2,58-2,63 г/см3, жирный на ощупь. При нагревании до 500 – 600°С каолинит теряет воду, выделяющаяся при этом вода играет важную роль в гидротермальных процессах [4]. При 1000 – 1200°С каолинит разлагается с выделением тепла, превращаясь вначале в силлиманит (Al[AlSiO5], сингония ромбическая) или кианит (Al2[SiO4]O, сингония триклинная), а затем в муллит (Al6Si2O13, структура ромбической сингонии). По данным [3] муллит отличается значительной разупорядоченностью атомов Si и Al.

Анализ литературных данных показал, что большое количество работ посвящено исследованию влияния включений железосодержащих соединений, а также большой концентрации кварца в составе каолинов на качество готовой керамической продукции.

На основании анализа литературного материала установлены и сформулированы актуальность, цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования, приведена оценка погрешностей для всех измеряемых величин.

Химический анализ образцов исходных и модифицированных каолинов проводили с использованием оптического эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой SpectroCirosVision.

Погрешность измерения, согласно паспортным данным, составляла 10-мас.%. Количественный химический анализ образцов на содержание ионов железа проводили атомно-эмиссионным методом на приборе Optima 730V, с погрешностью измерения порядка 10-2 мас.% Предварительно пробу сплавляли с калием надсернокислым в кварцевых тиглях.

Фазовый состав образцов исследовали методом рентгенофазового анализа (рентгеновский аппарат ДРОН-3М с приставкой для цифровой регистрации данных; фильтрованное CоK - излучение; использовали электронную базу данных порошковой дифрактометрии ICSD). Содержание различных фаз в образцах оценивали по данным их интегральных интенсивностей рефлексов.

Дисперсный (метод растровой электронной микроскопии – РЭМ) и элементный состав, а также морфологию кристаллов, содержащихся в образцах фаз, исследовали на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-7001F с энергодисперсионным спектрометром Oxford INCA X-max 80.

Для комплексного анализа состава образцов и определения оптимальных условий их дальнейшей прокалки использовали методы термогравиметрии и термоанализа (синхронный анализатор Netzsch STA 449C Jupiter, совмещённый с масс-спектрометром Netzsch QMS 403C Aeolos; съемку термограмм проводили в интервале температур 20 1200°С при скорости нагрева 10 К/мин в токе воздуха 20 мл/мин). Дополнительно ИК-спектры порошков исследуемых образцов в области длин волн 1300 – 2500 нм получали на ИК-спектрометре Bruker «Tensor 27» в режиме съемки на пропускание в матрице KBr.

Для модифицирования состава образцов каолинов Полетаевского месторождения применяли три метода:

Гидротермальная автоклавная термообработка. Исследуемые образцы каолинов репульпировали в водном растворе HCl с концентрацией 10 мас.% кислоты и помещались в автоклав объемом 2мл, с коэффициентом заполнения k = 0,9. Автоклав помещали в заранее нагретую печь до температуры 200C в течение 60 мин. Давление внутри автоклава измеряли с помощью встроенного манометра, а также рассчитывали по уравнению Ван-Дер-Ваальса (1,5–2,0 МПа). Для исключения взаимодействия раствора соляной кислоты с материалом стенок автоклава использовали футеровку из фторопласта. После обработки полученные образцы каолинов отмывали в воде до отрицательной реакции на ионы железа и высушивали в лабораторном сушильном шкафу при температуре 100–110C.

Обработка каолинов методом кипячения. Исследуемые образцы каолинов репульпировали в водном растворе HCl с концентрацией мас.%, помещали в колбу, объемом 250 мл, снабженную обратным холодильником и нагревали на лабораторной электрической плите до температуры ~ 96C при непрерывном перемешивании. Обработка проходила при постоянном атмосферном давлении в течение 30 мин.

Полученные модифицированные образцы каолинов отмывали дистиллированной водой на беззольных фильтрах до отрицательной реакции на ионы железа и высушивали в лабораторном сушильном шкафу при температуре 100–110C.

Метод воздушной сепарации осуществляли в лабораторных условиях с использованием набора сит. Поочередно каждую пробу подвергали просеиванию через сита следующих размеров: 1; 0,5; 0,25; 0,06 мм.

Отсеиваемые, интенсивно окрашенные, грубые фракции частично удаляли, а остальные измельчали в ступе и добавляли к просеянной части пробы, что позволило добиться максимального выхода конечного модифицированного продукта.

В главе 2 также описаны стандартные методы определения физикохимических свойств каолинов, влияющих на механические свойства готовых изделий на основе каолинов: определение сульфат-ионов в водной вытяжке, определение гранулометрического состава каолинов, определение воздушной усадки, прочности на изгиб, потери массы при прокаливании (ППП), определения вязкости, пластичности, влажности, водопоглощения, показателя адсорбции. Обработку результатов проведенных исследований проводили по стандартным методикам и программам, подробно изложенным в тексте работы.

Третья глава посвящена изучению физико-химических свойств каолинов Полетаевского месторождения, описан элементный (химический) состав и качественная характеристика каолинов.

Химический состав выделенных групп исходных, а также модифицированных каолинов методом воздушной сепарации, представлен в табл. 1. Наблюдали существенные различия в содержании оксидов железа и алюминия в исследованных образцах. В белых и светло-серых каолинах содержится максимальное количество оксида алюминия и минимальное – оксида железа.

Таблица Средний химический состав проб каолинов различных типов Тип SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O ППП каолина Каолин-сырец1, мас.% I 65,88 22,86 0,28 2,00 0,12 0,25 0,19 0,07 7,II 66,36 23,02 0,24 1,97 0,02 0,42 0,93 0,05 7,III 67,08 22,26 0,31 2,34 0,20 0,66 2,88 0,09 6,Модифицированный каолин, мас.% I 47,96 36,05 0,61 1,27 0,21 0,45 1,74 – 11,II 53,31 31,53 0,61 1,53 0,07 0,25 0,83 – 9,III 48,97 33,72 0,60 1,78 0,12 0,85 3,02 – 10,Исходя из данных химического анализа и требований ГОСТ 2128682 можно сделать вывод о том, что каолин-сырец Полетаевского месторождения III типа в самостоятельном виде может использоваться в составах керамических и строительных материалов. По химическому составу обогащенный каолин I типа может быть использован, согласно ГОСТ 28874–2004, в огнеупорном производстве и в производстве строительной и бытовой керамики.

Рентгеновский анализ пробы каолина-сырца Полетаевского месторождения свидетельствует о значительном присутствии каолинита и В дальнейшем под данным термином согласно [2] подразумеваем исходный образец каолина кварца. По значениям площадей рефлексов определяли процентное содержание тех или иных минералов в составе каолинов (рис. 1).

Рис. 1 – Рентгенограмма пробы каолина-сырца Полетаевского месторождения Рентгенографическим методом проводили качественный и количественный минералогический анализ различных цветовых разновидностей каолинов I группы по 16 объединенным пробам.

Результаты исследования показали, что каолины содержат 45-55 мас.% каолинита, 40-45 мас.% кварца, 7-11 мас.% полевого шпата и следы других минералов.

Таблица Пределы значений содержания отдельных фракций и их средние величины по разновидностям Суммарные остатки на ситах в каолинах I типа, мас.% Наименование каолина Размер фракции, мм 5,00 3,00 1,00 0,50 0,25 0,0,9 - 9,6 3,9-20,4 10,4-28,3 19,1-36,2 23,3-44,7 21,7-59,Светло-серые В среднем 5,25 12,15 19,35 27,65 34,00 40,0,7 - 9,9 2,3 -20,6 6,6-28,6 15,7 -34,8 23,10-44,7 20,3-59,Цветные В среднем 5,30 11,45 17,60 25,25 33,90 40,Минералогический состав модифицированного каолина в исследованных разновидностях относительно однотипный. Данные гранулометрического анализа различных групп каолинов Полетаевского месторождения представлены в табл. 2.

Кварц Каолинит Каолинит Кварц Каолинит Каолинит Каолинит Кварц Кварц Каолинит Каолинит Анализ данных табл. 2 показывает, что гранулометрический состав белых и цветных кондиционных каолинов I группы почти одинаковый.

Максимальное содержание грубодисперсных фракции менее 0,25 мм при выходе модифицированного каолина составляло в среднем 37 мас.%.

Присутствие значительного количества остатков грубых фракций благоприятно отражается на процессе модификации каолина. Выход модифицированного каолина применительно к Полетаевскому месторождению составил 60-65 мас.%.

Результаты электронно-микроскопического исследования показали, что структура образца неоднородная (рис. 2). Материал представлен, в основном, кварцем и каолинитом. Каолинит сложен чешуйчатыми агрегатами различных размеров. Результаты поэлементного картирования показали, что атомы железа распределены в каолине неравномерно (рис. 3) Рис. 3 – Неравномерное Рис. 2 – Зернистая структура распределение Fe в каолине каолина ИК-спектр каолина I типа (проба КП) Полетаевского месторождения (рис.4) содержит линии поглощения, которые следует отнести со спектром каолина (проба КПр) Просяновского месторождения (Украина), являющего эталонным по своим качествам.

нм Рис. 4 – ИК-спектры каолинов Просяновского (сплошная линия) и Полетаевского (пунктирная линия) месторождений Из асимметрии практически всех максимумов поглощения пробы КП можно утверждать о наличии галлуазита. Наблюдали линии поглощения групп ОН пробы КП (1398-1416 нм) и пробы КПр (1389-1416 нм). При этом они отличаются только по интенсивности, т.е. в пробе КПр содержание групп ОН меньше. Интенсивности колебаний связей Si-O в пробах КП (2208-2162 нм) и КПр (2208-2162 нм) показывают, что в пробе КП наблюдается дефицит кремния. Максимумы триплета 2381 – 3218 – 2356 нм в пробе КПр и 2380 – 2356 – 2318 нм в пробе КП указывают на незначительную деформацию кремнекислородных тетраэдров.

Сопоставление спектров Полетаевского и Просяновского месторождений, представленные на рис. 4, показали, что они фактически идентичны, наличие незначительных различий в спектрах связано, по-видимому, с разным характером дефектов кристаллической структуры каолинов.

Основные результаты термогравиметрических исследований представлены в табл. 3. В интервале температур 60 – 120 С испаряется физически связанная вода.

Таблица Результаты термогравиметрического анализа каолинов Усадка, соответствующая термическим эффектам, мас.% Месторождение Просяновское 495-590 910-990 1115-1175 1,41 4,89 18,12 12,Еленинское 515-610 975-1070 1225-1265 1,78 5,88 16,03 13,Кыштымское 545-625 910-970 1150-1180 0,70 2,62 17,70 12,Полетаевское 540-590 980-1000 1220-1250 1,62 5,47 17,90 13,а) б) Рис. 5 – Термограммы каолинов. а) Просяновский, б) Полетаевский С эффект, С эффект, С Второму Первому ППП, мас.% Второй экзотермический Первый экзотермический экзотермическому экзотермическому Эндотермический эффект, Эндотермическому Химически связанная вода удаляется в узком температурном интервале, лежащем от 450 и 600 С. На дифференциальной кривой четко воспроизводятся все три эффекта каолинита; большой эндотермический эффект (495 – 640 С), связанный с дегидратацией каолинита; в интервале температур 910 – 1070 С наблюдается протекающий с большой скоростью экзотермический эффект, связанный с кристаллизацией оставшегося после дегидратации аморфного продукта (Al2O3 и SiO2) в форме минерала муллита; примерно в интервале температур 1105 С и выше наблюдали сравнительно небольшой второй экзотермический эффект, связанный с кристаллизацией аморфного оксида кремния.

В четверой главе приведены результаты исследования влияния различных способов модификации каолинов. Основной задачей являлось уменьшение процентного содержания оксидных соединений железа в каолинах. На основе существующих методов модификации каолинов [4], были выбраны три способа. Данные химического и рентгенофазового анализа свидетельствуют об эффективности всех методов модификации.

После гидротермальной модификации сырья сфера применения данного каолина существенно расширяется и его можно использовать в тонкой керамике.

Выбор конкретного способа обогащения можно осуществить, исходя из различных критериев, таких как стоимость и экологичность. По данным табл. 4 наиболее эффективным методом удаления оксидных соединений железа из каолинов является автоклавный гидротермальный способ. Метод кипячения хотя и снижает содержание последних оксидов в каолине, но менее эффективен, чем автоклавный. Обогащение методом воздушной сепарации является одним из самых экологически безопасных и экономически выгодных способов. Однако важнейшим его недостатком является невысокая эффективность в отношении удаления оксидов железа.

Стоит отметить, что использовать подобный способ целесообразно не для всех месторождений, но, как показало данное исследование, он вполне продуктивен для Полетаевского.

Таблица Усредненный химический состав каолина-сырца и обогащенного каолина различными методами.

Содержание компонентов на прокаленное вещество, мас.% Каолин SiO2 Al2O3 + TiO2 Fe2OСырец 68.49 25.48 2.Автоклав 70.77 23.40 1.Кипячение 70.69 23.40 1.Сепарация 62.85 28.81 1.В связи с малым процентным содержанием соединений железа возможность обнаружения их на рентгенограммах ограничена. Поэтому, рентгенограммы записывали в узких угловых интервалах с пошаговым сканированием с экспозицией 20 с (шаг 2 0,01 ). Удалось обнаружить три рефлекса лепидокрокита (-FeOOH). Комплексная рентгенограмма пошагового фазового анализа представлена на рис. 6. Отметим, что в периодической литературе по исследованию каолинов, информации о наличии данного соединения в составе последних не имеется.

Рис. 6 – Рентгенограмма каолина-сырца. Вставки на рентгенограмме соответствуют пошаговому сканированию с длительной экспозицией.

После гидротермальной автоклавной обработки каолина Полетаевского месторождения рефлексов, соответствующих лепидокрокиту, не обнаружили, что, по-видимому, связано с его взаимодействием с соляной кислотой с образованием растворимых хлоридных соединений железа типа FeCl3 nH2O.

В пятой главе изложены результаты исследований физикомеханических свойств каолинов Полетаевского месторождения, а также других каолинов Урала (еленинского, журавлиноложского, кыштымского) и Украины (просяновского). Провели сравнительный анализ комплекса механических свойств керамических масс на их основе.

Таблица Физико-механические свойства полетаевского каолина, обработанного методом воздушной сепарации.

Общая Водопоглоще Предел прочности при усадка в % ние в % изгибе высушенных после обжига после обжига образцов и при при обожженных при температуре, температуре, температуре, С, МПа С С КП-1 – Каолин полетаевский, проба КП-2 – Каолин полетаевский, проба Для исследования физико-механических свойств каолинов Полетаевского месторождения брали две модифицированные пробы, основные экспериментальные результаты приведены в табл. 5. Отметим, что по этим свойствам каолины Полетаевского месторождения, так же как и каолины других месторождений Урала и Украины [1], удовлетворяют требованиям тонкой и строительной керамики. Лабораторные и pH мас.

% Проба Влажность, % образования, г/см Порог структурного 1313сухие Остаток на сите №0063, Воздушно 7,7,0,0,1,1,Воздушная усадка, % 0,0,0,0,1КП КП 1,1,25,25,11,11,1312,12,1318,19,1315,16,1319,20,1323,25,1336,47,13производственные испытания керамических масс на основе каолинов Полетаевского месторождения показали, что полученные изделия отвечают требованиям ГОСТ 28390-89 (Изделия фарфоровые). Результаты проведенных испытаний полетаевских каолинов в составах фарфоровых масс показали, что их использование приводит к увеличению предела прочности на изгиб высушенных образцов. Кроме того, керамические массы обладают необходимой пластичностью для получения изделий без формовочных дефектов.

Для установления влияния процентного содержания полетаевского каолина в составе керамических смесей на появление дефектов изделий была изготовлена серия фарфоровых масс, компонентный состав которых представлен в табл. 6.

Таблица Компонентный состав опытных фарфоровых смесей Компонентный состав фарфоровых смесей, мас.% Наименование материалов, входящих в состав смесей А Б В Кыштымский каолин 46 - Полетаевский каолин - 46 - Бентонит 4 4 - Глина веселовская - - Кварцевый песок 28 28 Чупинский шпат 22 22 На рис. 7 показано изменение линейных размеров образцов из полетаевского, кыштымского, просяновского каолинов и опытных фарфоровых смесей А, Б, В (табл. 6) в процессе высушивания.

Коэффициент линейной усадки определяли из графика по тангенсу угла наклона прямой. Отметим, что масса Б, содержащая полетаевский каолин, во многом ведет себя при высушивании аналогично массе А, содержащей кыштымский каолин, однако она менее склонна к возникновению дефектов. Установили, что фарфоровые массы с вводом полетаевского каолина и бентонита по своим свойствам могут быть применены в производстве хозяйственного фарфора.

Рис. 7 - Изменение линейных размеров образцов каолинов и опытных фарфоровых масс в процессе высушивания На основании изученных физико-механических свойств каолинов Полетаевского месторождения был предложен альтернативный состав смеси для изготовления керамического гранита. В состав смеси вошли полетаевские каолины, кварцевый песок, присутствует огнеупорная глина Нижнеувельского месторождения и полевой шпат. Составлен акт промышленных испытаний и получены результаты испытаний механических свойств готовой продукции.

ВЫВОДЫ 1. Впервые исследовано влияние различных методов модифицирования (гидротермальный автоклавный, метод кипячения, воздушная сепарация) каолинов Полетаевского месторождения на их химический, дисперсный и минералогический составы, а также на физико-механические показатели керамических материалов на их основе.

2. Показано, что метод гидротермальной автоклавной обработки каолинов Полетаевского месторождения позволяет снизить содержание в них оксидных соединений железа в ~ 2 раза. Полученные образцы модифицированного каолина соответствуют требованиям ГОСТ 21286-82.

Каолин обогащенный для керамических изделий марка КФ-2.

3. Установлено, что метод кипячения в 10 мас.% водном растворе HCl каолинов Полетаевского месторождения позволяет снизить содержание в них оксидных соединений железа в ~ 1,5 раза. Данные образцы удовлетворяют требованиям ГОСТ 21286-82 Каолин обогащенный для керамических изделий марки КФ-2.

4. Показана целесообразность использования метода воздушной сепарации каолинов Полетаевского месторождения, обеспечивающего получение продукта с заданным гранулометрическим составом и более низким (на ~ 25 %) содержанием оксидных соединений железа, что позволяет использовать их в производстве изделий санитарностроительной керамики по ГОСТ 21286-87 марка КФ-3 и КС-1.

5. Установлено, что в составе каолинов Полетаевского месторождения оксидные соединения железа (III) присутствуют в виде индивидуальной фазы -FeOOH (минерал лепидокрокит);

6. Разработаны составы керамических масс на основе каолинов Полетаевского месторождения для изготовления керамического гранита и тонкой керамики.

Список цитируемой литературы 1. Горбачев Б.Ф. Минеральное сырье. Каолин: Справочник // Б.Ф.

Горбачев, Н.С. Чуприна – М.: «Геоинформмарк». 1998, 40 с.

2. Н.Ф. Солодкий Минерально-сырьевая база Урала для керамической, огнеупорной и стекольной промышленности. Справочное пособие / Под ред. проф. Г.Н. Масленниковой // Солодкий Н.Ф., Шамриков А.С., Погребенков В.М. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 332 с.

3. Пащенко А.А. Физическая химия силикатов / Под ред. А.А. Пащенко // А.А. Пащенко А.А. Мясников и др. – М.: Высш. шк. – 1986. – 368 с.

4. Винтер В.К. Обогащение глинистых материалов для производства фарфора. Производство фарфоровой и фаянсовой посуды. // ЦНИИТЭИлегпром. Обзоры по основным направлениям развития отрасли.

Выпуск 4. Москва. 1984. с.28.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационного исследования:

1. Клепиков М.С., Щербаков А.А., Белевитин В.А., Рукавишников В.В., Викторов В.В. Каолины Южного Зауралья – новый источник высококачественного сырья // Башкирский химический журнал. – 2011.

Том 18. №4. – С. 242–245.

2. Щербаков А.А., Клепиков М.С., Солодкий Н.Ф., Сериков А.А., Рукавишников В.В., Жестков В.М., Белевитин В.А. Физико-химические исследования кондиционных и некондиционных глин Нижнеувельского месторождения Челябинской области // Башкирский химический журнал. – 2011. Том 18. №4. – С. 236–239.

3. Щербаков А.А., Солодкий Н.Ф., Жестков В.М., Викторов В.В., Сериков А.А., Клепиков М.С. Физико-химические исследования глин Нижнеувельского месторождения // Вестник ЮУрГУ. серия «химия» №33.

2011. – С. 86–89.

Другие материалы и тезисы докладов:

4. Солодкий Н.Ф. Глины и каолины Урала: справочное пособие / Н.Ф. Солодкий, А.С. Шамриков, В.В. Викторов, М.С. Клепиков, А.А. Щербаков. – Челябинск: Изд-во Челяб. гос. пед. ун-та, 2012. – 172 с.

5. Солодкий Н.Ф., Шамриков А.С., Клепиков М.С., Викторов В.В.

Каолины Южного Зауралья – новый источник высококачественного сырья // Керамика и композиционные материалы: доклады VII Всероссийской научной конференции. – Сыктывкар, 2010. с. 77.

6. Клепиков М.С., Щербаков А.А., Викторов В.В., Солодкий Н.Ф.

Физико-химические исследования каолинов Южного Зауралья // Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции. Екатеринбург: УрО РАН, 2012. с. 93.

7. Щербаков А.А., Клепиков М.С., Викторов В.В., Солодкий Н.Ф.

Кондиционные и некондиционные глины Нижнеувельского месторождения Челябинской области // Химия твердого тела и функциональные материалы-2012. Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции. Екатеринбург: УрО РАН, 2012. с. 216.

Подписано к печати 15.03.2012г.

Формат 60х84 1/16 Объем 1,0 уч.-изд.л.

Заказ № 993. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе в типографии ФГБОУ ВПО ЧГПУ 454080, г. Челябинск, пр. Ленина,







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.