- •Печатается по решению редакционно-издательского совета
- •Isвn 978-5-89040-417-6 © Турченко а.Е, Суслов а.А, 2012
- •Теоретические и научно-практические редпосылки формирования структуры дисперстных глинистых минералов и свойств сырца керамических материалов
- •1.1. Формирование глинистых минералов и пород в естественных условиях
- •1.2. Основные виды структур глинистых минералов
- •1.3. Особенности межчастичных взаимодействий глинистых минералов в водных дисперсиях
- •Физико-химические свойства мономинеральных глин
- •Между структурными элементами:
- •Особености влияния химических добавок на свойства шихты, сырца и обожженных изделий
- •2.1. Классификация и общая характеристика химических добавок
- •2.2. Опыт применение добавок пав при производстве керамических изделий
- •Влияние добавок пав на структурные свойства глинистых дисперсий
- •А) без добавок
- •Б) с ионогенной гидрофилизирующей добавкой
- •В) с ионогенной гидрофобизирующей добавкой
- •Каолиновой дисперсии с анионактивными добавками при прессовании
- •3. Методика проведения исследований
- •3.1. Выбор сырьевых материалов для изучения влияния ионогенных добавок пав на свойства «модельных и реальных» глинистых дисперсий
- •Содержание кальция и магния в глинах
- •Содержание калия и натрия в глинах
- •Характеристика добавок поверхностно-активных веществ
- •Характеристика добавок электролитов
- •3.2. Методика оценки массовой доли ионогенных добавок пав на процессы структурообразования формовочных масс и готовых изделий
- •Изменение сорбционных свойств каолина в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •Изменение сорбционных свойств бентонита в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •Изменение сорбционных свойств каолинито-монтмориллонитовой глины (латненская – лт) в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •Изменение сорбционных свойств пресс-порошка в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •Р ис. 4.1. Изменения эффективной удельной поверхности глинистых дисперсий в зависимости от вида и массовой доли добавок
- •4.2. Исследование влияния ионогенных пав на формирование контактов микроструктуры глинистых дисперсий
- •Из пресс-порошка с гидрофобизирующей добавкой. Увеличение х 15 000
- •4.3. Исследование влияния ионогенных пав на процессы прессформования и свойства сырца керамических изделий
- •В зависимости от вида ионогенной добавки и формовочной влажности Выводы
- •5. Оптимизация технологических параметров изготовления керамических облицовочных материалов с использованием ионогенных пав
- •5.1. Оптимизация состава и температуры обжига модельной системы «глина – плавни» при введении ионогенных пав
- •Уровни варьирования содержания плавней в шихте
- •Матрица планирования и физико–механические свойства керамических изделий, обожженных при температуре обжига 1000 ºС
- •С добавкой б) «Пеностром»
- •С добавкой в)
- •С добавкой в)
- •5.2. Исследование влияния вида и массовой доли ионогенных пав на сорбционные свойства шихты и физико-механические характеристики керамических изделий
- •4. Добавка - метилсиликонат натрия имеет следующую структурную формулу:
- •6.2. Рекомендации по оптимизации производственного состава керамической плитки для внутренней облицовки на основе многокомпонентной шихты вкз
- •Оптимизация состава проводилась с использованием д - оптимального метода планирования трехфакторного эксперимента [74, 75] (табл. 6.4).
- •Уровни варьирования рецептурно-технологических факторов
- •На основании полученных результатов показано влияние ионогенной добавки на физико-механические свойства керамических плиток табл. 6.5.
- •Результаты определения воздушной усадки
- •Результаты определения огневой и общей усадок
- •От массовой доли добавки гкж-11 и температуры обжига
- •Керамического кирпича от содержания добавки гкж-11 и температуры обжига
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Приложение
- •3 94006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
1.3. Особенности межчастичных взаимодействий глинистых минералов в водных дисперсиях
Определяющее значение на межчастичные контакты оказывают адсорбционные процессы взаимодействия глинистых минералов с водой.
Глинистые минералы при контакте с жидкой фазой воды и ее парами активно адсорбируют на своей поверхности полярные молекулы последней, что приводит к их гидратированию [25, 26]. Это взаимодействие происходит в две стадии: первая стадия – адсорбционное или внутрикристаллическое набухание, вторая – макроскопическое или «осмотическое» набухание [25].
Взаимодействие с молекулами воды минералов типа каолинита и монтмориллонита проявляется различно, что связано с их структурой.
Так, у минералов группы каолинита наблюдается слабая способность к гидратированию и адсорбции [25]. А минералы группы монтмориллонита характеризуются высокой адсорбционной способностью. Слабая связь, существующая между структурными элементами (пакетами) монтмориллонитов, легко нарушается при внедрении в межпакетное пространство полярных молекул воды, а также катионов Ca2+, Mg2+, Na+, K+. Кристаллическая структура монтмориллонита является подвижной (разбухающей). Кристаллическая решетка гидрослюд структурно сходна с решеткой монтмориллонитов и по интенсивности связи с водой эти минералы занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.
Главнейшей из сил, определяющих энергию адсорбции глин, является электростатическое взаимодействие между ионами на поверхности частиц и диполями молекул воды. Радиус действия этих сил не превышает несколько ангстрем. На расстояниях от поверхности частиц, превышающих диаметр молекул воды, эти силы дополняются дисперсионными ван-дер-вальсовыми силами, обусловленными «мгновенными» диполями [25].
В трудах Ф.Д. Овчаренко [26] показано, что во взаимодействии между водой и поверхностью глинистых минералов важную роль играет водородная связь. Имеющиеся на поверхности глинистых частиц многочисленные кислородные атомы, являющиеся структурными элементами их кристаллической решетки, обусловливают поверхностную ориентацию гидроксильных групп молекул воды и возникновение водородной связи. Молекулы воды, ориентируясь за счет электростатического поля глинистой частицы, образуют связанный слой адсорбционной воды, которая находится в ином физическом состоянии, чем свободная вода. За связанной водой следует слой слабо (рыхло) связанной воды. Общее содержание прочно- и слабо-связанной воды определяется дисперсностью частиц, состоянием их поверхности, минералогическим составом, величиной заряда, емкостью обмена, видом и концентрацией адсорбированных ионов в растворе. В свою очередь, адсорбционные и гидратационные свойства ионов зависят от их заряда, ионного радиуса и степени поляризуемости [26, 27].
Важным моментом при взаимодействии частиц глинистых минералов с водой является формирование вокруг их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС). Внутренняя часть ДЭС образована отрицательно заряженной поверхностью глинистой частицы, а внешняя состоит из адсорбционного и диффузного слоев гидратированных катионов [28]. Структура ДЭС во многом зависит от рH и концентрации солей раствора, в котором он формируется. Из-за кристаллохимических особенностей строения глинистых минералов при изменении рH раствора наблюдается перезарядка торцевых участков глинистых частиц. Подобный эффект связан с амфотерными свойствами бокового скола октаэдрической сетки, который ведет себя подобно гидроксиду алюминия. На боковых гранях и ребрах монтмориллонита и каолинита присутствуют кислые Si–OH и основные - Al–OH, Fe–OH – группы, координационно-ненасыщенные ионы Al3+, Fe3+, Mg2+ [1, 29]. В кислой среде скол октаэдрической сетки диссоциирует по щелочному типу:
Al(OH)3 = Al(OH)2+ + OH-.
В щелочной среде скол диссоциирует по кислому типу:
Al(OH)3 = Al(OH)2O- + H+.
В результате этого боковой скол глинистой частицы в кислой и нейтральной средах заряжается положительно, а в щелочной – отрицательно. Изменение заряда на торцевых участках глинистых частиц приводит к формированию в щелочных условиях одноименно заряженных, а в кислых и нейтральных - знакопеременных ДЭС.
Толщина диффузного слоя зависит от состава и концентрации солей в водном растворе, окружающем частицы глинистых минералов. Она максимальна при отсутствии солей и резко сокращается по мере увеличения их концентрации [15, 28]. Подобное поведение ДЭС в различных физико-химических условиях является одним из главных факторов, регулирующих процессы структурообразования глинистых дисперсий, и оно оказывает сильное влияние на изменение свойств глин в ходе технологических процессов.
Способность поверхности дисперсной фазы связывать воду адсорбционными силами оценивается ее гидрофильностью. Критерием гидрофильности может служить показатель теплоты смачивания водой минерального порошка. Для сравнительной оценки гидрофильных свойств твердых фаз П.А. Ребиндер [30] предложил использовать коэффициент фильности (Кф):
Кф= Qпол/Q непол , (1.1)
где, Кф - коэффициент фильности;
Qпол - теплота смачивания сорбента полярной жидкостью, кДж/кг;
Q непол - теплота смачивания сорбента неполярной жидкостью, кДж/кг.
Гидрофильные порошки обладают наименьшей поверхностной энергией на границе с водой, поэтому при смачивании они выделяют больше теплоты. Для гидрофильных поверхностей коэффициент гидрофильности больше единицы, а для гидрофобных – меньше единицы. Для глинистых пород коэффициент гидрофильности всегда больше единицы, т.е. они имеют сродство по полярности с водой.
Исследование гидрофильных свойств глинистого сырья представляет большой теоретический и практический интерес, поскольку гидрофильностью определяются многие физико-химические и технологические свойства формовочных масс.
Теплота смачивания, количество мономолекулярносвязываемой воды и емкость обмена различных видов глин представлены в табл. 1.2 [28].
Таблица 1.2