23. Какие физико-химические способы анализа используются для определения свойств сырья для производства керамики?

Основные: ДТА, ТКЛР, рентген

доп: электпропроводность, фазовый состав, пористость - пикнометрия, определение спекаемости глин - кривая усадки

ТКЛР: При нагревании твёрдые тела расширяются, что связано с увеличением амплитуды колебаний атомов в структуре веществ относительно их среднего положения.

В керамической промышленности при подборе материала глазури также следует стремиться к тому, чтобы коэффициенты термического расширения глазури и материала, который подвергается глазурованию, соответствовали друг другу (рис. 2). Рис. 2. Поведение глазурного покрытия, и возникающие при этом дефекты: 1 – глазурный слой; 2 – подложка; а – до охлаждения; б – при ТКЛР глазури > ТКЛР подложки; в – при ТКЛР глазури <ТКЛР подложки. Если величина ТКЛР глазури значительно больше величины ТКЛР материала, на который наносится глазурь, то при охлаждения глазурь будет сжиматься сильнее, чем материал, в результате чего появятся сильные внутренние напряжения, вызывающие образование волосяных трещин (цек глазури, рис 2,б). Если ТКЛР глазури значительно ниже, чем материала, то происходит обратное явление: при охлаждении материал сжимается сильнее глазури и последняя отскакивает от изделия (рис 2,в).

Очень большое значение придаётся ТКЛР в технологии керамики. При помощи дилатометра можно определить не только истинное значение ТКЛР, но и построить кривую непрерывной усадки (рис. 3,в), при помощи которой можно определить интервал спекшегося состояния и температуру обжига, необходимую для полного прохождения процесса спекания. Кривая ab соответствует удалению физической влаги из материала (воздушная усадка), далее происходят процессы дегидратации и спекания материала (кривая bc, огневая усадка). Отрезок cd соответствует спеченному состоянию (то есть области температур обжига), участок de – пережженное состояние, при котором возможно вспучивание материала под воздействием газовых включений, нежелательные фазовые переходы, сопровождаемые изменением объема, или плавлением. Рис. 3,г, соответствует удлинению уже спеченного керамического материала.

пикнометрический метод: Определение плотности пикнометрическим методом Пикнометр представляет собой тонкостенную стеклянную колбочку объёмом 5, 10, 20, 25 и 50 мл с узкой шейкой, на которой нанесена метка. Пикнометр закрывается притертой стеклянной пробкой. На верхней части шейки и на пробке вытравлен номер пикнометра. Методика определения плотности заключается в следующем. Сухие и чистые пикнометры (определение проводится в двух параллельных пробах) с пробками взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0001 г (первое взвешивание). После этого в каждый пикнометр вводится порошок исследуемого вещества в количестве 1,5 – 3 г, и пикнометр с порошком вновь взвешивается (второе взвешивание). Разность между результатами первого и второго взвешивания даст величину навески порошка исследуемого вещества. После второго взвешивания пикнометр с порошком примерно на 2/3 объема его широкой части заполняют водой. Затем открытый пикнометр помещают в вакуумный аппарат и вакуумируют его содержимое в течение 0,5 ч или (вместо вакуумирования) проводят кипячение содержимого пикнометра на песчаной бане в течение 0,5 ч. Указанные операции проводят для удаления воздуха из порошка. После кипячения пикнометр с порошком охлаждают, добавляют воды до уровня немного ниже метки, закрытый пикнометр погружают до шейки в водяной термостат, имеющий постоянную температуру, при которой проводится определение плотности (обычно 20 °С) и выдерживают в водяном термостате 20-40 мин. Для выравнивания температуры. После выдержки в термостате пикнометр вытирают, устанавливают уровень воды точно до метки и взвешивают (третье взвешивание). Затем пикнометр освобождают от воды и порошка, тщательно промывают, наполняют примерно до метки одной водой, вновь термостатируют (как указано выше) и, после установки уровня воды точно до метки, вновь взвешивают (четвертое взвешивание). Расчёт плотности проводят по формуле:

, (8) где d – плотность материала, кг/м3 ; р1 – масса пустого пикнометра (первое взвешивание), г; р2 – масса пикнометра с сухим материалом (второе взвешивание), г; р3 – масса пикнометра после вакуумирования или кипячения (третье взвешивание), г; р4 – масса пикнометра с водой (четвёртое взвешивание), г; γ – плотность пикнометрической жидкости (при использовании воды γ = 1), г/см3 . Результаты двух параллельных определений плотности не должны отличаться друг от друга более чем на 5 кг/м3 .

рентген + дта: В частности рентгенофазовый анализ, позволяющий увидеть количество присутствующих в сырье кристаллических соединений. Эти данные необходимо сопоставлять с результатами химического и других анализов.

Рентгеновский анализ позволяет более определенно и достоверно судить о реальном, всегда сложном, минералогическом составе сырья, ибо хорошо известно, что все технологические и эксплуатационные свойства керамической продукции определяются именно особенностями минералогического состава исходного глинистого сырья. Напомним, что рентгеновский метод исследования базируется на дифракциии (отклонение от законов геометрической оптики) рентгеновских лучей от кристаллических решеток минералов и последующей их интерферренции (взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга) по вполне определенным физическим законам. Каждое кристаллическое образование имеет свой специфический набор (спектр) дифракционных отражений, по которым это соединение надежно идентифицируется и определяется количественное содержание в сложной естественной или искусственной смеси.

Однако, для идентификации относительно рентгено-аморфных соединений, с несовершенной кристаллической структурой, в частности, глинистого минерала - монтмориллонита, рентгеновского анализа недостаточно для получения полной картины фазового состава и он дополняетсян дериватографическим анализом.

Дериватографический анализ основан на определении различных тепловых эффектов при нагревании образца. Кривая ДТА характеризует основные физико-химические процессы, происходящие в пробе при ее нагревании.

Эндотермические эффекты, идущие с поглощением тепла, свидетельствуют о разрушении исходных кристаллических или рентгено-аморфных соединений; процессах плавления и т.п. Экзотермические эффекты на кривой ДТА, происходящие с выделением тепла, обычно говорят о процессах новой кристаллизации, выгорании органики и т.д.