Технология керамики, стекла и вяжущих материалов. Лабораторный практикум. Учебное пособие

Определение содержания оксида кремния методом коагуляции

Метод основан на разложении пробы сплавлением с безводной содой и последующемосаждении кремнекислоты желатином при нагревании из концентрированных растворов. Выщелачивание сплава (переведение сплава в раствор) производят приливанием к сплаву 20-25мл концентрированной соляной кислоты, при этом протекает реакция:

Na2O∙ SiO2 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl.

Отфильтровать сразу осадок кремнекислоты невозможно, т.к. она присутствует в 3 видах одновременно: золь - гель - аморфный осадок. Поэтомудля выделения кремнекислоты необходимо перевести золь в гель, а затем в аморфный осадок, который легко отфильтруется.

Золь кремниевой кислоты имеет формулу –n H2SiO3, гель

– m H2SiO3, где n >> m. Золь в отличие от геля имеет большую гидрофильную рубашку (водяная рубашка), поэтому для ее удаления продукт выщелачивания упаривают до влажных солей. При этом из раствора частично улетает азеотроп – HCI ∙ H2O (HCl играет роль дегидратирующего агента, без соляной кислоты удаление водяной рубашки золя было бы затруднено).

Частицы кремниевой кислоты несут отрицательный заряд, в связи с чем их коагуляции (слипания) не происходит. Поэтому для укрупнения частиц кремниевой кислоты существует прием коагуляции свежеприготовленным раствором 1%ого-н желатина, частицы которого в кислой среде заряжены положительно. При взаимодействии частиц H2SiO3 и частиц желатина происходит взаимная разрядка коллоидов, частицы хорошоагрегируются и значительно укрупняются.

Сплав из тигля переносят в стакан емкостью 200 мл. Тигель тщательно промывают сначала раствором соляной кислоты (промывные растворы сливают в стакан), затем горячей водой обмывают внутренние стенки тигля, держаего над стаканом. Стакан закрывают стеклом, осторожно добавляют 10 - 20 мл концентрированной соляной кислоты. Стаканпомещают на песчаную баню и упаривают раствор до образования влажных солей. Прибавляют 10 мл 1%-ного раствора желатина, помещают

11

на водяную баню и взбалтывают в течение 5 мин. Выдерживают в течение 10 мин и фильтруют через фильтровальную бумагу «белая» или «синяя» лентав мерную колбу на 250 мл - получают фильтрат, зашифрованный какФ1. Осадок на фильтре промывают вначале раствором соляной кислоты (5:95) до обесцвечивания осадка для удаления адсорбированных ионов Fe3+ в осадке, а затем горячей водой до отрицательной реакции на хлор-ион (реакция с раствором нитрата серебра NOAg3). Фильтр с осадком кремниевой кислоты помещают во взвещенный тигель, -осто рожно высушивают, озоляют на песчаной бане, не допуская воспламенения фильтра, после чего осадок прокаливают при температуре 1000 °С в течение 1 ч, затем охлаждают и взвешивают. Прокаливание повторяют по 10 мин додостижения постоянной массы. Хорошо промытый прокаленный осадок оксида кремния должен быть снежно-белым, рыхлым, сыпучим; плохо отмытый - осадок сероватого цвета, при прокаливании склонен к спеканию.

Содержание оксида кремния в исходном веществе вычисляют по формуле

w (SiO2 )= (m1-m0) / m ,

где m1 - масса тигля с прокаленным осадком, г; m0 - масса пустого тигля, г; m - исходная навеска при сплавлении, г.

Фильтрат после отделения осадка кремниевой кислоты (Ф1) разбавляют холодной водой до метки мерной колбы, тщательно перемешивают, закрывают пробкойи сохраняют до окончания работы.

начинается при рН 3,0 заканчивается при рН 6,5. При этом

12

следует заметить, что при избытке аммиака происходит обратная реакция - растворение гидрооксида алюминия. Минимальная

нагревают до кипения, даютосесть осадку и отфильтровывают его горячим на фильтре «красная лента» в мерную колбу на

прокаливании до температуры 1000 °С. Фильтрсадкомо помещают во взвешенный фарфоровый тигель, подсушивают, озоляют и прокаливают вначале 1 ч, затем еще 0,5 ч при температуре 1000 С° до достижения постоянной массы, после чего охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Содержание суммы оксидов алюминия, железа и титана определяют по формуле:

w (Al2O3 +Fe2O3 +TiO2)= ((m1-mо)· V)·100 / (m ∙ V1),

13

где m1 - масса тигля с прокаленным осадком, г; mо - масса пустого тигля, г; m - исходная навеска при сплавлении, г; V- общий объем фильтрата, мл (250 мл); V1- объем аликвоты, мл.

Результаты выполненного химического анализа представляют в виде табл. 1

Лабораторная работа № 3. Исследование глин для производства керамических изделий

Цель работы: освоение практических умений и навыков

Краткие теоретические сведения

Глина представляет собой продукт разложения и выветривания полевого шпата и некоторых других пород. Формула полевого шпата:

R2О · Al2O3 · 6SiO2.

При взаимодействии полевого щпата с углекислым газом и водой образуется основной глинистый материал:

R2О·Al2O3·6SiO2 + CO2 + 2H2O → Al2O3·2SiO2·2H2O + R2CO3 + 4SiO2.

Глинистый минерал – это рыхлая смесь мельчайших частиц размером менее 0,005 мм, водных алюмосиликатов различного состава:

14

1) каолинит – Al2O3·2SiO2·2H2O; 2) монтоморрилонит –

Al2O3·4SiO2·2H2O; 3) галлуазит – Al2O3·2SiO2·4H2O; 4) гидро-

слюда.

Чистые глины, состоящие из каолинита, называются каолинитовыми. После обжига они сохраняют белый цвет. Из этого вида глины изготавливают фарфоровые и фаянсовые изделия. Глины классифицируют по составу на жирные и тощие. Глиныв, которых наибольшее количество глинистых минералов, болееспособны удерживать воду, больше набухают, медленней сохнут и дают большую усадку называются жирными. Глинысодержа, - щие много песчаных частиц, характеризующиеся небольшой усадкой и набуханием, легкосушатся, но пластичность у них пониженная, называются тощими.

Основным свойством глин является пластичность. Определение пластичности глин ведётся через определение числа пластичности. Под пластичностью глин принято понимать их способность принимать форму без образования трещин, разрыво и сохранять её после прекращения действия внешней силы. Пластические свойства глины изменяются в зависимости от содержания в ней воды. Для смеси глины с водой наблюдаются характерные состояния.

1.Верхний предел текучести – когда глиняное тесто течёт непрерывной струёй.

2.Нижний предел текучести, при котором слой глины тол-

щиной 1,0-1,5 см, помещён на дно фарфоровой чашки и разделён шпателем на две части, при сильных толчках только на третьем сольётся.

3.Нормальная рабочая консистенция или предел липкости (прилипания) соответствует максимальной влажности, при которой глина не прилипает к рукам.

4.Состояние, при котором затворённая водой глина не рас-

катывается в нити, – определение границы раскатывания.

5. Состояние, при котором глина теряет вязкость и рассыпается при сдавливании.

Число пластичности представляет собой разность между содержанием воды в глине при нижнем пределе текучести и при границе раскатывания. Обевеличины должны быть отнесены к

15

массе вещества сухой глины и выражены в процентах. Чем пластичнее глина, тем больше число пластичности.

Классификация глин по пластичности: 1-го класса – число пластичности более 15; 2-го класса – число пластичности от 7 до 15; 3-го класса – число пластичности от 1 до 7.

Под связующей способностью глин принято понимать их свойство связывать непластичные материалы, даваяпри этом хорошо формующееся тесто и прочный сырец после сушки. Знание этого свойства необходимо, так ка для улучшения сушильных свойств высокопластичных глин и получения определенных физико-химических свойств черепка к глинам добавляют отощающие вещества: шамот, кварцевый песок, и др.

На показатели связующей способности оказывает влияние не только количество добавленного к ней непластичного материала, но и его природа и зерновой состав.

Для отощения глины лучше всего применять кварцевые пески. Отощение глины ведут в следующих пропорциях Г:П: 100:0; 80:20; 60:40; 40:60; 20:80.При испытании глины с невы-

сокой связующей способностью последние отношения обычно отпадают.

Подбор электролитов для разжижения глин (шликера) при производстве керамических плиток. При производстве отделочной керамики в качестве пластичного сырья применяют глины и каолины. Природным глинистым сырьём служат горные породы, состоящие из глинистых минералов (каолинит, гидрослюды, монтмориллонита) и их месей. В качестве плавней используют полевые шпаты, нефелиновый сиенит, волластанит, в том числе синтезированный, порфировидный туф и другие материалы, имеющие в своём составе 8…16 % оксидов натрия и калия. Отощителями в составе смесей служат обожжённый каолин, кварцевый песок, бой плиток.

Некоторые виды керамических плиток формуют литьём из глинистых суспензий, называемых в технологии керамики шликерами. Литейные шликеры должны обладать достаточной текучестью при минимально возможной влажности.

16

Для уменьшения количества воды в шликере без увеличения его вязкости применяют добавки электролитов (растворы соды Na2CO3, жидкого стекла Na2SiO3 и др.), для каждого из которых текучесть системы будет максимальной, а вязкостьсоответственно минимальной.

Ход работы

Определение влажности границы текучести

Определение числа пластичности глин проводят с помощью прибора А.М. Васильева, состоящего из станины 7 с двумя кронштейнами 4 и 5, цилиндрического стержня 3, свободно перемещающегося в центрированных отверстиях в кронштейнах и заканчивающегося в верхней части диском 2, и съемной чаши конической формы 1, прикрепленной к диску 2 (рис. 2).

Рис. 2. Прибор Васильева для определения пластичности: 1 – чашка для массы; 2 – диск; 3 – цилиндрический стержень; 4,5 – кронштейны; 6 – винт; 7 – станина; 8 – опорная плита

Для испытания берут 100 г глины, высушивают в бюксе, отделяют 50 г и растирают в фарфоровой ступке пестиком на кусочки величиной не более 0,5 мм, приливаютводу и перемешивают

17

шпателем до рабочей консистенции. Эту глину равномерно с помощью шпателя распределяют по дну чашки толщиной 10-15 мм.

о плиту. В результате встряхивания просвет между частями уменьшается. Массу стряхивают три раза. После каждого наблюдают величину просвета. Испытание считается законченным после третьего удара. Если после третьего удара обе части глины у дна не соединяются, то это значит, что масса слишком густая. Постепенно доливают воду и снова повторяют опыт. Водудоливают порциями не более 1 см2.

Соединение частей после первого и второго удара свидетельствует о том, что глина слишком жидкая. К массе постепенно добавляют измельчённую глину порциями не более 1 г. Получив массу требуемой консистенции методом, описанным выше, отбирают пробу 10-15 г и высушивают при температуре.

Влажность рассчитывают по отношению к массе сухой глины, %.

W1 = (m1-m2) / m2,

где W1 - влажность границы текучести; m1 - масса влажной глины; m2 - масса сухой глины.

Определение влажности границы раскатывания

Для определения границы раскатывания берут пробу оставшейся глины массой 40г, переносят её на стекло и раскатывают в жгут Ø3 мм до тех пор, пока жгут не начнёт рассыпаться. Образовавшиеся комочки собирают в бюкс, высушивают до постоян-

ной массы и определяют влажность границы раскатывания W2 :

W2 = (m1-m2) / m2,

где W2- влажность границы раскатывания; m1 - масса отделив-

шихся комков от жгута; m2 - масса высушенных до постоянной массы отделившихся комков глины.

18

Определение числа пластичности глин

Число пластичности глины определяют по формуле

П =W1 -W2 ,

где W1 - влажность границы текучести; W2 - влажность границы раскатывания.

Результаты испытаний вносят в табл. 2.

Таблица 2

Результаты опытов

Определение способности формования глинистого сырья при добавлении различного количества отощителей

Измельченную и просеянную глину через сито с отверстиями 0,5 мм смешивают с необходимым количеством высушенного песка, причем общая масса шихты должна составлять 1 кг. Шихту замачивают водой и затем подсушивают до состояния нормальной рабочей влажности. Полученную массу раскатывают скалкой в листы толщиной 8-10 мм и вырезают из них металлической формочкой образцы для испытания.

В процессе раскатывания пласта и изготовления образцов наблюдают за изменением массы и дают визуальную оценку ее формовочных свойств. Результаты наблюдений можно представить следующими обозначениями:

+ + + хорошо формуется;

++ удовлетворительно формуется;

+плохо формуется;

-не формуется.

Данные наблюдения за формовкой записывают в табл. 3.

19

Определение пределов изменения механической прочности высушенного образца в зависимости от степени отощения

Для определения связующей способности глинистых материалов по пределу прочности на изгиб и сжатие изготавливают образцы размером 40х40х160 мм. Образцы для испытания на изгиб приготавливают пластическим методом. Приготовленные образцы высушивают в сушильном шкафу при105-110 оС до постоянной массы.

Образцы для испытания тщательно просматривают и при наличии дефектов-трещин, коробления и других бракуют. Образцы, признанные годными (не менее 3 из каждого состава), подчищают и маркируют. Подготовленные образцы испытывают на разрывной машине МИИ-100, половинки образцов испытывают на сжатие на гидравлическом прессе. Полученные результаты заносят в табл. 4, строят график изменения прочности глин в зависимости от процента добавок.

20