СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ОТХОДОВ СТЕКЛА И КЕРАМИКИ Российский патент 1998 года по МПК C03C10/00 C04B33/02 

Изобретение относится к утилизации и вторичному использованию отходов производства и бытовых отходов, в частности, боя стекла и керамики, и может быть использовано преимущественно при изготовлении изделий типа строительной керамики, плитки, майолики, смальты и т.п, а также изделий, подверженных при эксплуатации повышенному химическому, термическому и т.п. воздействию, в частности, изделий типа труб, втулок и т.п.

Известны различные способы изготовления изделий из отходов стекла и керамики по керамической технологии полусухого формования.

Известен способ изготовления изделий типа отделочной плитки путем механического измельчения боя стекла и керамики, их смешивания, приготовления пресс-порошка, прессования в пресс-форме и обжига с использованием состава пресс-порошка, мас. отходов стекла до 35, отходов керамики до 65, глины до 8 [1]
Вместо глины могут вводиться отходы сухих необработанных абразивных изделий с содержанием стекла 15-20% в количестве до 30 мас.

Обжиг производят при температуре 960-1050^oC.

Известен также аналогичный способ изготовления изделий из отходов стекла и керамики с содержанием стекла до 30 мас. и температурой обжига в зависимости от состава стекла 950-1060^oC [2]
Общим для известных способов такого вида является введение в состав пресс-порошка в качестве основной массы керамики и малое содержание стекла, связанное с тем, что повышение боя стекла до 40 мас. приводит к опасным деформациям при температурах, обжиг при которых не позволяет достичь необходимых физико-механических показателей изделий [2]
В условиях, когда основную массу композиции составляет керамика, а стекло является лишь связующим или цементирующим компонентом и не происходит закристаллизирования или другой реструктуризации стекла, обеспечивающих эффективное изменение качественных показателей материала, как, например, у ситаллов, изделия обладают низкими физико-химическими свойствами, в частности, устойчивостью к разрушению при динамических нагрузках и колебаниях температур, прочностью на изгиб, устойчивостью к агрессивным средам и др.

Известен способ изготовления изделий из отходов стекла и керамики с усилением стеклокерамической матрицы волокном SiC [3] игольчатыми кристаллами [4] в частности, за счет смешивания порошка натриево-кальциевого силикатного стекла с промотором образования игольчатых кристаллов, выбранным из карбонатов, гидроксидов и нитридов щелочных и щелочноземельных металлов.

Известные способы [3,4] позволяют лишь незначительно улучшить некоторые физико-механические свойства изделия и при этом связаны со значительным усложнением и удорожанием технологического процесса.

Известны наиболее близкие к заявляемому техническому решению, выбранные в качестве ближайшего аналога способ и композиция для получения декоративно-облицовочного материала из отходов стекольного и керамического производства, включающие в себя механическое измельчение отходов стекла и керамики до фракции 0,1-5 мм, их смешивание с добавлением песка и получение пресс-порошка, засыпку порошка в формы с нанесением верхнего декоративного слоя в виде гранул фракции 5-10 мм из отходов прозрачного стекла, например оконного, и термообработку в туннельной печи с последующим постепенным охлаждением [5]
При этом порошковая композиция имеет состав, мас. песок 2-5, стеклобой 75-93, измельченная керамика остальное, и термообработку проводят при температуре 880-940^oC.

При термообработке в печи при указанном диапазоне температур происходит спекание стеклофазы без расплавления компонентов песка и керамики основного слоя, которая играет роль стеклоцементного связующего для песка и керамики, и расплавление стекла верхнего слоя, которое при постепенном охлаждении частично кристаллизуется.

Несмотря на преимущественное содержание в составе композиции стеклофазы (75-93 мас.), в используемом диапазоне температур снижение вязкости материала до опасного, вызывающего деформацию изделия уровня не происходит. Достигается некоторое улучшение физико-механических свойств (прочность на изгиб σ_изг 120-129 кг/см² и прочность сжатия σ_сж 130-177 кг/см². Частично кристаллизованный прозрачный слой образует покрытие, повышающее качество декоративной плитки.

Недостатком известного способа изготовления изделий из отходов стекла и керамики является практическое сохранение керамической технологии полусухого формования основного слоя, которая не обеспечивает достаточно высоких физико-механических и химических свойств изделиям, необходимых, например, для изделий типа втулок, труб и т.п. для агрессивных средств химических производств.

Задачей изобретения является разработка способа изготовления изделий из отходов стекла и керамики, который за счет реструктурирования компонентов, преимущественно стекла, обеспечивал бы изделиям повышенные физико-механические и химические показатели.

Задача решается за счет того, что при использовании существенных признаков известного способа изготовления изделий из отходов стекла и керамики, включающего механическое измельчение этих отходов, их смешивание и приготовление композиции пресс-порошка или литьевого шликера, формование заготовки прессованием порошка в пресс-форме или литьем шликера, термообработку и охлаждение заготовки, в соответствии с изобретением порошковая композиция включает, мас. отходы стекла 90-92, отходы керамики 8-10 и в качестве добавки в мас. к массе порошка поливиниловый спирт - 8-10, а термообработку ведут при температуре 800-1100^oC, обеспечивающей в зависимости от состава стекла его закристаллизирование.

При формовании заготовок из порошковой композиции, включающей в качестве основной фазы (90 мас. и более) стеклофазу и термообработку заготовок обжигом при температуре 800-1100^oC с последующим постепенным охлаждением, частицы порошкообразно измельченной керамики играют роль не наполнителя в стеклоцементной массе, а роль центров кристаллизации, на которых происходит рост кристаллов стеклянной фазы. При этом в процессе закристаллизовывания стекла происходит реструктурирование стеклянной фазы с получением стеклокристаллизованного материала, близкого к ситаллам, которые по сравнению с обычной стеклокерамикой характеризуются повышенными, иногда на порядок, физико-механическими показателями, такими как прочность на изгиб и сжатие, устойчивость к химическому воздействию, в частности, к агрессивным средам, устойчивость к термическому воздействию. Это позволяет изготавливать из отходов стекла и керамики такие изделия, как трубы, втулки и т.п. для химических и других производств, требующих повышенной механической, химической и термической устойчивости.

Предлагаемый способ включает:
размол в шаровой мельнице или конусной инерционной установке отходов стекла до удельной поверхности 4000-7000 см²/г и отходов керамики до удельной поверхности 5000-7000 см²/г;
приготовление путем смешивания с помощью стандартных механических устройств порошковой композиции с содержанием компонентов, мас. отходов стекла 90-92, отходов керамики 8-10;
введение в порошковую смесь в виде добавки поливинилового спирта в количестве 10 мас. к массе порошка;
изготовление пресс-формы для прессования требуемого изделия;
прессование на гидропрессе 3- или 5-7-тонном;
размещение отпрессованных заготовок на алундовые лодочки;
термообработку отпрессованных заготовок в печи в виде обжига в обычной окислительной среде при температуре 800-1100^oC.

Температуру обжига для конкретных изделий в указанных пределах выбирают опытным путем в зависимости от кривой вязкости используемых отходов стекла и требований к физико-механическим и химическим показателям, т.е. необходимости уровня кристаллизации стеклофазы.

Для изделий типа труб, втулок и т.п. которые не могут быть изготовлены способом полусухого прессования в пресс-формах, может быть использован другой способ формования, в частности, путем приготовления литьевого шликера из порошковой композиции и горючего литья под давлением. При этом используют процесс обжига такой же, как для отпрессованных заготовок.

Испытания опытных образцов изделий, выполненных в соответствии с заявляемым способом, показало, что в зависимости от марки стекла и температурного режима обжига предел прочности на изгиб σ_изг 1100-1500 кг/см² и предел прочности сжатия σ_сж 3600-4000 кг/см², что приблизительно на порядок выше показателей ближайшего аналога.

В отношении устойчивости к агрессивным средам и других химических свойств выполненные заявленным способом изделия приближаются к ситаллам, имеющим повышенные по сравнению с обычной стеклокерамикой показатели.

По сравнению с известными способами получения материалов типа ситаллов и изготовления из них изделий, предлагаемый способ является значительно менее сложным и трудоемким, а также дешевым, так как использует отходы производства, и полностью решает задачу, стоящую перед изобретением.

Заявляемое техническое решение на настоящее время неизвестно в Российской Федерации и за границей и отвечает требованиям критерия "новизна"; оно является оригинальным, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники и отвечает требованиям критерия "изобретательский уровень"; может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".

Сущность изобретения: способ включает механическое измельчение отходов стекла и керамики, их смешивание и приготовление композиции пресс-порошка или литьевого шликера, формование заготовки прессованием порошка в пресс-форме или литьем шликера, термообработку при температуре 800-1100^oC и охлаждение заготовки. При этом порошковая композиция включает следующие компоненты, мас. %: отходы стекла - 90-92, отходы керамики - 8-10 и поливиниловый спирт - 8-12.

Способ изготовления изделия из отходов стекла и керамики, включающий в себя механическое измельчение этих отходов, их смешивание и приготовление композиции пресс-порошка или литьевого шликера, формование заготовки прессованием порошка в пресс-форме или литьем шликера, термообработку и охлаждение заготовки, отличающийся тем, что порошковая композиция включает в себя, мас.

Отходы стекла 90 92
Отходы керамики 8 10
в качестве добавки в мас. к массе порошка
Поливиниловый спирт 8 12
а термообработку ведут при 800 1100^oС, обеспечивающей в зависимости от состава стекла его закристаллизование при охлаждении.