Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор, цель и задачи исследовании 11
1.1 Керамические декоративно-отделочные материалы в архитектуре и отделке жилья 11
1.2 Особенности технологии и применения керамических строительно-декоративных материалов во внутренней и внешней отделке жилья 14
1.3 Возможности управления цветовыми характеристиками декоративных керамических облицовочных материалов 21
1.4 Выводы 25
1.5 Цель и задачи исследований 26
Глава 2. Методика исследований и характеристика материалов 29
Глава 3. Разработка состава керамической массы для получения отбеленного черепка и объемно окрашенных декоративных материалов 37
3.1 Определение оптимального состава массы для синтеза окрашенных керамических декоративных материалов и изделий и исследование их свойств 37
3.2 Синтез цветных объемно-окрашенных декоративных материалов при использовании керамических масс оптимальных составов 46
3.2.1 Влияние литийсодержащего отхода на свойства и цвет керамического черепка . 46
3.2.2 Получение цветной объемно-окрашенной керамики на основе шихты оптимального состава с применением пигментов 50
3.3 Выводы 55
Глава 4. Физико-химические процессы формирования и структурные особенности цветного объемно окрашенного керамического черепка 58
4.1 Физико-химические процессы формирования керамического черепка при различных режимах обжига 58
4.1.1 Особенности физико - химических процессов, протекающих при обжиге высококальциевых керамических масс 59
4.1.2 Жидкофазовые процессы при спекания высококальциевых керамических масс с добавкой литийсодержащего отхода в качестве минерализатора 67
4.1.3 Влияние добавки оксидных пигментов на процессы спекания керамических масс оптимальных составов 71
4.2 Управление цветом при получении объемно - окрашенной глиносодержащей керамики 74
4.2.1 Зависимость колористических характеристик от состава и температуры обжига керамики 74
4.2.2 Зависимость интенсивности отбеливания и объемного окрашивания керамики при ее обжиге 77
4.2.2.1 Теоретические предпосылки цветности керамики 77
4.2.2.2 Физико - химическая сущность отбеливания и объемного окрашивания керамики 79
4.3 Выводы 91
Глава 5. Опытно-промышленная апробация разработанной технологии керамических декоративно-отделочных материалов и изделий 93
5.1 Особенности технологии производства отбеленной и объемно-окрашенной декоративно - отделочной керамики на основе железосодержащих глин 94
5.2 Результаты производственных испытаний керамических отбеленных и объемно - окрашенных декоративно- отделочных материалов и изделий и технологическая схема их производства 98
5.3 Экономическая эффективность применения техногенных отходов при производстве декоративно-отделочных керамических материалов 102
Общие выводы 106
Список литературы 109
Приложения 121
- Керамические декоративно-отделочные материалы в архитектуре и отделке жилья
- Влияние литийсодержащего отхода на свойства и цвет керамического черепка
- Физико - химическая сущность отбеливания и объемного окрашивания керамики
- Экономическая эффективность применения техногенных отходов при производстве декоративно-отделочных керамических материалов
Керамические декоративно-отделочные материалы в архитектуре и отделке жилья
Одним из направлений в развитии промышленности строительных материалов является производство и разработка эффективных декоративно -отделочных и художественных материалов и изделий, которые отличаются многофункциональностью применения. К таким строительным материалам относится обширная группа изделий для внутренней жилищной и внешней архитектурной отделки общественных, культурно-бытовых и других зданий [1,2].
Различные группы строительно-отделочных материалов подразделяются на искусственные и природные. В связи с ограниченными возможностями применения природных материалов в качестве декоративно - отделочных [3...6] наиболее большими перспективами использования для этих целей обладают искусственные материалы.
Широко распространенными и повсеместно используемыми в разнообразных видах строительства и оформления являются отделочные искусственные материалы, получаемые путем переработки природных сырьевых материалов и вторичных продуктов различных отраслей промышленности. Следует отметить, что в первую очередь к ним относятся изделия строительной керамики, в частности, декоративно-отделочные керамические материалы. В строительстве благодаря своим высоким эксплуатационным эстетическим и экологическим качествам они используются не только для внутреннего и внешнего оформлення зданий и сооружений, но и для создания многовариантных эстетических композиционных разработок [7... 9]. Классификация декоративных керамических материалов для внутренней и внешней отделки обусловлена их функциональным назначением, в соответствии с которым они должны отвечать различным требованиям по физико-химическим, физико-механическим и эстетико-потребительским свойствам [10,11].
Анализируя производство декоративных отделочных керамических материалов за прошедшие 30 лет, можно отметить, что на смену долговременному спаду объемов выпуска в настоящее время намечается тенденция не только роста, но и расширения ассортимента данной продукции. Объяснением тому служит то, что современный рынок керамических строительных товаров предъявляет жесткие требования к технико-эксплуатационным свойствам и внешнему виду производимой продукции в связи с качественно новыми подходами к строительству и дизайнерскому оформлению общественных зданий и объектов частного строительства [ 12... 16].
Необходимо отметить, что наиболее распространенными фасадными керамическими отделочными материалами до недавнего времени являлась облицовочная плитка и лицевой фасонный кирпич, использовавшиеся для внешнего фасадного декорирования. Исследования динамики производства облицовочной плитки и лицевого кирпича показали, что соответственно в первом случае наблюдается снижение выпуска продукции, а во втором увеличение и улучшение качества готовых изделий. В рассмотренном первом примере керамическая фасадная облицовочная плитка в основной своей массе не отвечает требованиям по морозостойкости, долговечности и эстетическому виду. В последние годы при производстве фасонного лицевого кирпича зачастую используется высококачественное оборудование, а также эффективные научные разработки, характерные для традиционной керамической технологии, что и обусловливает высокое качество и конкурентноспособность данной продукции [17,18]. Наряду с многосерийным производством керамики для внешней отделки зданий и сооружений характерным становится направление увеличения выпуска малосерийных декоративно - отделочных керамических материалов и изделий как для фасадного оформления, так и для востребованного в настоящее время ландшафтного дизайна Данный аспект роста производства связан с жесткими требованиями рыночной экономики и современного дизайна [19...21].
Поэтому изделия, использующиеся для декоративно-отделочных работ, выполняются с помощью самых разнообразных технологических способов, включая традиционные, а также полученные с применением эффективных научно- исследовательских разработок, базирующихся на уменьшении себестоимости продукции за счет интенсификации процессов обжига, снижения его энергоемкости, использования местного относительно недорогостоящего сырья, вторичных продуктов различных производств с учетом требований экологии и композиционного дизайна. Наиболее широко распространенными являются фасадные и тротуарные плитки, фасонный кирпич, монументальные элементы, фрагментарная керамика, ландшафтная скульптура, мозаика-смальта, керамические элементы, имитирующие натуральный гранит, камень и т.д. [22... 26].
Также немаловажным является и значительная востребованность производства керамических декоративно-отделочных материалов для внутреннего оформления жилых и общественных помещений в последние годы, что связано с ростом строительных работ и увеличением требований, предъявляемых не только к технико-эксплуатационным показателям, но и к внешним характеристикам самих изделий [27... 30].
В настоящее время известен целый ряд способов по получению не только составов керамических масс для декоративно-художественных материалов как на основе традиционного сырья, так и техногенных продуктов, но и новых приемов технологического изготовления изделий утилитарно-бытового назначения [31...37]. К керамическим декоративно-отделочным изделиям предъявляются повышенные требования к их эстетико - потребительским свойствам при определенных требованиях к их физико - механическим показателям. Эти материалы и изделия применяются в основном для интерьерного композиционного оформления, т.е., например, в качестве декора арочных и дверных проемов, разнообразных потолочных и стеновых фрагментарных элементов, мозаичных панелей для различных помещений и т.д. [38...42].
Анализируя литературные данные по производству строительных материалов, можно утверждать, что наиболее распространенными керамическими материалами и изделиями для внешней и внутренней отделки в настоящее время являются те, которые получаются в основном по традиционным технологиям: например, терракотовый лицевой кирпич, глазурованные фасадные и интерьерные плитки, требующим, как правило, дополнительных технологических операций (глазурование, политой обжиг и т.д.) и высоких температур обжига свыше 1000 С [43,44].
Поэтому, наибольший научный и практический интерес представляет разработка составов и исследование свойств керамических декоративно-отделочных материалов и изделий, полученных на основе природного и техногенного сырья, с температурой обжига ниже 1000 С, что позволит значительно снизить энергозатраты на производство, упростить технологический процесс и улучшить эстетико-потребительские качества готовой продукции.
Влияние литийсодержащего отхода на свойства и цвет керамического черепка
С целью установления влияния добавки литийсодержащего отхода на изменение послеобжиговых свойств и цвет керамического черепка на основе железосодержащих глин в отсутствии ВКО и с его применением нами первоначально были проведены исследования на керамических массах, не содержащих ВКО. Обжиг образцов проводили при той же температуре 900 С с изотермической выдержкой 1 час. Результаты проведенных исследований приведены в табл. 3.5.
Анализ табл. 3.5 показывает, что значения послеобжиговых свойств: водопоглощения, плотности и предела прочности на сжатие керамических образцов с применением железосодержащих глин и литийсодержащего отхода в различных количествах находятся в пределах требований по ГОСТ 6141 - 91 к строительно - отделочной керамике для внутренней облицовки стен различных, жилых помещений у образцов составов 1ВЬ 1В2, 1БЬ 1Б2, 1ГЬ 1Г2, содержащих лишь 0,1...0,2 % литиевого отхода При введении в состав керамической массы добавки литийсодержащего отхода в количестве более 0,2 %, наблюдается резкое ухудшение как формовочных дообжиговых свойств, так и показателей послеобжиговых свойств. Объяснением этому является, то, что в данном техногенном материале присутствует большое количество разнообразных высокомолекулярных органических примесей (N,N - диметилацетамид), которые в процессе формования разрыхляют структуру керамической массы, а в процессе обжига, выделяясь в газообразном состоянии, они препятствуют нормальному спеканию черепка
Особенно важным является и тот факт, что керамический черепок на основе всех вышеуказанных составов 1BI...1B4, ІБ1...ІБ4, ІГ1...ІГ4 с применением рассмотренных железосодержащих глин при различном содержании литиевого отхода, не изменяет в процессе обжига свою окраску. Следовательно, необходимого отбеливания до белого с желтоватым оттенком цвета не достигается, а цветовая палитра данного черепка обладает ухудшенными насыщенными, размытыми, грязными серо - коричневыми цветовыми оттенками. Поэтому, на основе глиносодержащих керамических масс с добавкой только литиевого отхода, невозможно получение цветных объемно - окрашенных декоративных керамических изделий. Выявленное количество литийсодержащего отхода (0,1... 0,2 мае. %) является оптимальным для эффективного применения в целях интенсификации процесса спекания керамических масс с высококачьциевым отходом, как это будет подтверждено ниже.
Таким образом, результаты исследований послеобжиговых свойств, в том числе цветовых характеристик образцов керамики на основе железосодержащих глин различных месторождений, убедительно подтвердили возможность получения материалов, отвечающих всем требованиям ГОСТ 6141 - 91 по техническим показателям и эстетико -потребительским свойствам. При этом применение керамических масс, содержащих глину и совместно высококальциевый и литийсодержащий отходы, соответственно в количествах 20 и 0,1...0,2 мае. % обеспечивает нормальное спекание и почти полное отбеливание цвета черепка до белого или белого с желтым оттенком. Для более точного определения количества добавки литийсодержащего отхода, нами были изучены послеобжиговые свойства керамики на основе масс оптимального состава, содержащих ВКО и литиевый отход, соответственно, 20 и 0,15 %. Результаты исследований представлены в табл.3.6.
Анализ результатов, представленных в табл. 3.6 показывает, что керамический черепок, полученный на основе всех шихт имеет белый с желтоватым оттенком или светло - бежевый цвет черепка после обжига с показателями послеобжиговых свойств, отвечающих требованиям, предъявляемым к керамическим материалам и изделиям, применяющимся для внутренней отделки жилых помещений. Исключительно важным является то, что только при совместном сочетании ВКО и литиевого отхода, соответственно в количествах, мае. %: 20 и 0,15, достигается полное объемное отбеливание керамического черепка на основе железосодержащих глин различного минералогического состава. Сравнительный анализ полученных данных показал, что при введении в такую же керамическую массу литийсодержащего отхода в количестве 0,1 мае. % наблюдается частичная незавершенность процесса осветления, так как полученные после обжига образцы имеют неравномерную окраску, т.е. светло - желтый цвет с вкраплениями серо - розового по всей поверхности материала. Сопоставляя же полученные данные для аналогичных составов, содержащих мае. %: 0,15 и 0,2 литиевого отхода, устанавливаем, что процесс полного объемного отбеливания достигается как и при первом указанном количестве техногенного материала, так и при втором, но показатели послеобжиговых свойств: водопоглощение, предел прочности на сжатие, значительно лучше у образцов, полученных с применением в исходных шихтовых составах с добавкой 0,15 мае. % литиевого отхода.
Таким образом, на основе железосодержащих глин, высококальциевого и литийсодержащего отходов, соответственно, в количествах 20 мае. % и 0,15 % сверх 100%, возможно получение керамики с высокими показателями технических свойств и имеющей цвет черепка белый или белый с желтым оттенком. Это предоставляет широкие возможности получения объемно - окрашенных материалов для изготовления самых различных декоративно - художественных керамических изделий и композиций, которые могут с успехом применяться в качестве композиционного оформления разнообразных жилых и общественных интерьеров [5,8,28].
Физико - химическая сущность отбеливания и объемного окрашивания керамики
Отбеливание керамики на основе железосодержащих глин. Как было установлено в главе 3 и подтверждено колористическими характеристиками (табл. 4.1), керамический черепок на основе массы 1В оптимального состава, содержащий глину, песок, а также высококальциевый компонент (СаС03) и литийсодержащий (LiCl) отход в качестве минерализатора, при обжиге при температурах 800,900 и 1000 С кардинально изменяет свой цвет с коричнево - розового до практически белого с желтоватым оттенком. Это явление исключительно важно при разработке технологии объемно -окрашенной керамики, так как позволяет получать декоративные керамические материалы и изделия самых различных цветов и оттенков от насыщенных до пастельных: без добавки пигментов - белого цвета с различньгми оттенками желтого, а при наличии пигментов - керамику различных цветов в зависимости от вида (цвета) пигмента.
Для управления цветом при получении объемно - окрашенной декоративной керамики весьма важным является установление сущности отбеливания и цветности керамики. Явление отбеливания керамики на основе железосодержащих глин в научной литературе не описано и мало изучено. В то же время его изучение представляет собой как научный, так и практический интерес в технологии керамических декоративно - отделочных материалов и изделий.
В работе Вильбицкой Н.А. [113] установленный факт отбеливания глиносодержащей керамики объясняется эффектом интеркаляции железа (или железосодержащих соединений). Однако сущность этого механизма не ясна и вызывает сомнения по поводу реальности протекания указанных процессов. По нашему мнению, нейтрализацию интенсивного красно -коричневого цвета керамического черепка с применением различных естественно окрашенных железосодержащих глин можно объяснить на основе теоретических предпосылок, описанных выше, с учетом фазовых и кристаллохимических превращений железистых соединений, находящихся в составе пластичного сырья.
Керамический черепок на основе глин с различным содержанием оксидов железа и других железосодержащих соединений (например: Fe2( 3, FeS, FeS2, Fe(OH)3, Fe203.nH20) имеет цвет от интенсивного желтого до красно - коричневого. Такое окрашивание черепка объясняется наличием в нем различных кристаллических соединений железа: гематита - Fe2C 3, алюминатных, силикатных и алюмосиликатных железосодержащих фаз.
На основе результатов проведенных нами исследований сущность отбеливания керамического черепка можно объяснить следующим образом. Как было показано в подразделе 4.2.2.1, важнейшим фактором, предопределяющим окраску, цвет керамики и других материалов гетерогенных систем, является образование кристаллических хромофорсодержащих фаз. При обжиге железосодержащих глин, глиносодержащих керамических масс окрашивание черепка обусловлено наличием в нем таких кристаллических фаз, как гематит Fe2C 3, магнетит -Fe304 и других железосодержащих соединений. При совместном содержании оксидов железа и примесей оксидов титана и марганца окрашивание черепка, как известно [129,132], усиливается. Поэтому, одним из условий нейтрализации окрашивающего влияния оксидов железа (основных окрашивающих примесей) является перевод их в стеклообразное состояние, где их влияние на окраску на несколько порядков ниже [131 ].
Действительно, как следует из полученных экспериментальных данных на основе ДТА, РФА и ИКС, при совместном содержании в керамической массе 1В ВКО в количестве 20 мае. % и литийсодержащего отхода в количестве 0,15 мае. %, Fe203, как основной окрашивающий оксид, при взаимодействии с СаСОз, AI203 2Si02 и LiCl образует легкоплавкую шпинель LiFe02 и переходит в расплав. Кроме того, количество расплава, образующегося при t = 725 С (см. рис. 4.5), увеличивается за счет легкоплавких эвтектик, в том числе и железосодержащих соединений. В образовавшемся расплаве происходит растворение Те20з и других железосодержащих фаз.
Таким образом, очевидно, большая часть железосодержащих соединений должна находится в процессе обжига керамической массы 1В при повышенных температурах (свыше 800 С) в расплаве. При охлаждении же керамики железоалюмосиликатный расплав затвердевает преимущественно в стекловидном состоянии. В этом случае ионы железа Fe3 (обжиг в окислительной среде) встраиваются на позиции ионов А13+. При этом изоморфное замещение А13+ — Fe3+ , как убедительно доказано в работах А.П. Зубехина [132], не приводит-к существенному поглощению светового потока и, следовательно, не вызывает окрашивания черепка
Кроме того, не исключается и возможность образования твердых растворов железа с такими кристаллическими фазами, как метакаолинит Al203 2Si02, анортит CaOAl203 2Si02, муллит 3 Al203 2Si02 и др. Однако и в этом случае, согласно кристаллохимическим законам, наиболее предпочтительным являются изовалентные замещения типа: Al3+ »Fe3 , не приводящие к существенному поглощению светового потока, т.е. усилению окраски. к Эти высказанные положения убедительно подтверждаются результатами исследований структуры керамических образцов методами петрографического и рентгенофазового анализа (РФА) и ИК - спектроскопии [133,134,135,136].
Результаты петрографических исследований керамического образца, полученного из массы 4В, содержащей владимирскую глину, песок и ВКО в количестве 20 мае. %, имеющего красно - коричневый цвет черепка, а также образца на основе этой же массы, но с добавкой 0,15 мае. % (сверх 100 мае. %) литийсодержащего отхода в качестве минерализатора (1В ), имеющего белый с желтоватым оттенком цвет, позволили выявить л следующее (табл. 4.2.).
Экономическая эффективность применения техногенных отходов при производстве декоративно-отделочных керамических материалов
Экономический эффект от внедрения разработанного состава отбелено и объемно - окрашенной керамики на НПЦ «Силикат» может быть получен за счет следующих показателей:
замена природных дорогостоящих сырьевых материалов беложгущихся глин на распространенные железосодержащие глины, а так же техногенных материалов - высококальциевый и литийсодержащий отходы;
- снижение температуры обжига на 100 С, с 1000 до 900 С; На примере керамического панно, состоящего из объемно -окрашенных фрагментарных элементов можно рассмотреть экономическую эффективность производства данного вида керамики. Панно состоит из 16 элементов: 5 - на основе отбеленной керамики (масса №1); 6-е пигментом Сг20з(масса№2); 5 - на основе железосодержащей глины (масса №3).
Масса одного панно 0,6 кг, тогда в год изделий по массе производится 163,2 кг. Годовой расход массы №1 - 51 кг; №2- 61,2; №3 - 51 кг.
Для расчета себестоимости одного изделия используется метод группировки затрат по экономически однородным элементам, путем составления сметы затрат, включающей статьи:
- затраты на сырье и основные материалы;
- затраты на вспомогательные материалы;
- энергетические расходы;
- заработная плата работающих;
- начисления на заработную плату;
- амортизация оборудования;
- прочие расходы.
В связи с вышеизложенным затраты на основные материалы составят (табл. 5.3).
При разработке технологии объемно - окрашенной керамики на основе железосодержащих глин и техногенных материалов установлена возможность получения данного вида изделия со свойствами, соответствующими ГОСТ 6141 - 91, при температуре обжига 900 С.
Расчет годовых затрат электроэнергии Зэ выполняется по одноставочному тарифу по формуле:
3Э = РС-Ц, [137],
где Ц, - цена 1 кВт/ч электроэнергии по тарифу руб/кВт - ч; Рс - годовой расход электроэнергии, кВт/ч
Годовые затраты на электроэнергию составят: Зтар = 6419,2-1,24=7957,81 (руб).
104 Удельные затраты электроэнергии на изготовление одного панно составят: ЗуД = 7959,81/272=29,26 руб/изд.
Расчет затрат на электроэнергию приведен в табл. 5.5.
105 Для определения цены изделия закладываем рентабельность продукции 15 %, тогда условно - расчетная цена определяется по формуле, руб: 100) где С - себестоимость изделия, руб; Р - рентабельность продукции, %. Ц = 561,814- (1+ 15/ 100) = 646,09 (руб).
Таким образом, внедрение ресурсосберегающей технологии керамических объемно - окрашенных декоративно - отделочных материалов позволит получать изделия с себестоимостью 561,8 руб. и ценой 646,1 руб.
