СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИТАЛЛОКОМПОЗИЦИОННОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C03C10/02 

Настоящее изобретение относится к области строительной техники, а именно к составу для получения ситаллокомпозиционного облицовочного материала и его приготовлению из стекла и тугоплавкого зернистого заполнителя, и может найти применение для изготовления облицовочных плит и плиток для фасадов, полов и интерьеров зданий.

Известен облицовочный материал, получаемый спеканием и последующей кристаллизацией стекловидного и зернистого материалов при температурах порядка 1250-1500°С - керамогранит. Недостатком его получения является необходимость предварительной варки стекла специального состава и последующей кристаллизации при высоких температурах, что приводит к высокой стоимости готового материала.

Известен композиционный материал [1], содержащий песок и ситалл, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Песок 45-55;

Ситалл 45-55,

причем используют песок фракции 1,25-5,0, а ситалл дополнительно содержит MgO.

Недостатком этого материала также является наличие в его составе фтора в количестве 1-5% по массе.

Известно изобретение по патенту [2]. Предлагаемое изобретение отличается более низкой температурой спекания: по этому патенту - 920-940°С, по предлагаемому - 820-890°С. Кроме того, судя по описанию состава композиции по патенту [2], используемый стеклобой требует предварительной грануляции (в тексте повсюду применяется термин «гранулы стеклобоя»). По предлагаемому грануляция стеклобоя не требуется.

По патенту [2] композиция содержит стеклопорошок или смесь стеклопорошка с глиной, по предлагаемому такие компоненты в состав композиции не вводят, т.к. порошкообразное стекло содержится в дробленом стеклобое изначально.

Прочность готового изделия на изгиб по патенту [2] - 22 МПа, по предлагаемому - 45-50 МПа.

Наконец, по патенту [2] для получения плит в сырьевую смесь до спекания вводят связующее, включающее жидкое стекло, глиняный шликер и раствор желатина или поливинилового спирта. По предлагаемому связующее до спекания в композицию не вводят.

Патент [3] в качестве катализатора кристаллизации предлагает вводить в сырьевую смесь микрокремнезем. Однако используемый по этому патенту микрокремнезем содержит 6-16% по массе углеродистых примесей, являющихся источником газообразования при спекании, тогда как в обсуждаемом предложении применяемый микрокремнезем не должен таких примесей содержать.

По патенту [4] композиция включает предварительно полученный гранулят бутылочного стекла, тогда как по рассматриваемому предложению гранулят получать не требуется. Кроме того, пористость материала по патенту [4] составляет 6,5%, а по предлагаемому решению водопоглощение, а значит и пористость, не превышает 0,16%, что обеспечивает высокую морозостойкость изделий.

По известному патенту [5] состав сырьевой смеси включает вдвое больше компонентов, требует послойной укладки компонентов в форму при изготовлении, а порочность при сжатии готового изделия не превышает 230 г/см², т.е. 23 МПа, тогда как по заявляемому предложению послойной укладки не требуется, а прочность при сжатии составляет 75-94 МПа.

Наиболее близким к предлагаемому составу и способу его получения является композиционный материал, описанный в [6].

Этот состав и способ его получения решает ту же задачу, что и предлагаемые в настоящей заявке, а именно: снижение температуры спекания композиции при сохранении физико-механических свойств готового продукта - декоративных облицовочных плит и (или) плиток. По [6] стеклокомпозицию, включающую ситалл и зернистый заполнитель, получают спеканием. Композиция содержит ситалл состава, мас.%:

SiO₂ - 70-85; Na₂O - 10-24; Al₂О₃ - 1-5; F - 1-5.

В качестве наполнителя композиция включает кварцевый или керамзитовый песок или дробленый доменный гранулированный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ситалл - 50-70;

Наполнитель - 30-50.

Материал, полученный этим способом имеет следующие физико-механические характеристики:

Прочность при сжатии - 50-75 МПа;

Прочность при изгибе - 25-36 МПа;

Водопоглощение по массе - 8-12%.

Недостатком этой стеклокомпозиции является содержание в исходном стекле и ситалле после кристаллизации фтора в количестве 1-5% по массе. Готовый материал является источником выделений фтора в окружающую среду, что делает его экологически опасным.

В соответствии с предлагаемым изобретением поставленная цель достигается тем, что в качестве исходного стекла, которое в ходе спекания композиции переходит в ситалл, прелагается использовать стеклобой оконного или тарного стекла. Для перехода стекла в процессе термической обработки композиции в ситалл целесообразно использовать микрокремнезем - отход ферросплавного или другого производства. Микрокремнезем должен содержать аморфный диоксид кремния с удельной поверхностью не менее 35000 см²/г (3500 м^-1 в системе СИ). При этом размеры частиц диоксида кремния составляют 0,1-1,5 мкм. Микрокремнезем с такими характеристиками образуется в качестве побочного продукта при получении фтористого водорода или при получении ферросилиция. Такой микокремнезем представляет также так называемая «белая сажа». Микрокремнезем не должен содержать примесей других соединений.

Для придания готовой композиции желаемой структуры и текстуры целесообразно ввести в сырьевую смесь природный или искусственный песок фракции 0,315-1,25 мм, который должен иметь температуру плавления выше температуры спекания композиции, составляющей 820-870°С и не подвергаться термическому разложению при этой температуре. Для придания композиции окраски целесообразно использовать соединения переходных металлов или отходы производства, содержащие такие соединения.

Соотношение компонентов композиции целесообразно использовать следующее (мас.%):

Стеклобой - 50 - 94;

Заполнитель 3,5 - 44,5;

Микрокремнезем 1-5;

Пигментирующее вещество - 0,0-2,0.

Для получения продукции целесообразно стеклобой оконного или тарного стекла или их смеси подвергнуть дроблению до полного прохождения через сито 0,315 мм, смешать его с песком, микрокремнеземом и пигментирующим веществом, после чего нагреть до температуры 820-890°С до полного перехода стекла в расплавленное состояние, а затем подвергнуть прокатке или горячему формованию (прессованию). После формования изделие подвергают кристаллизации, охлаждению и механической обработке, которая заключается в обрезке кромок изделия и его шлифовании (полировании). Состав смеси оконного и тарного стеклобоя (мас.%):

Оконное стекло 0-100;

Тарное стекло - 0-100.

Стеклобой тарного стекла - винные или пивные бутылки - может быть окрашен в интенсивные зеленые или коричневые тона, поэтому при его использовании можно пигментирующее вещество не применять. Химический состав стеклобоя таков, что кристаллизация сплава стеклобоя с песком требует введения катализатора (инициатора) кристаллизации, не растворяющегося в расплаве стекла. Таким катализатором служит микрокремнезем, вызывающий микрокристаллизацию в стекле кварца.

В качестве песка целесообразно использовать любой мелкий зернистый материал, содержащий зерна от 0,315 до 1,25 мм включительно. Материал песка должен быть тугоплавким и не подвергаться термическому разложению при температурах спекания и кристаллизации композиции.

В качестве пигментирующего вещества целесообразно применять соединения переходных металлов: титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди. Можно также использовать отходы различных производств, содержащие соединения указанных металлов, например, гальванических шламов, пиритных огарков, шламов кожевенного производства, пыль обогатительных фабрик руд для черной и цветной металлургии, металлургические тонкомолотые шлаки.

Температура спекания зависит от соотношения оконного и тарного стеклобоя, она лежит в интервале 820-890°С; точное значение температуры определяют экспериментально. Температуру кристаллизации также определяют экспериментально известными способами [7].

Примеры выполнения.

Пример 1.

Состав композиции (мас.%):

Оконный стеклобой - 47,0;

Песок речной фракции 0,315-1,25 мм - 49,0;

Микрокремнезем - 2,5;

Гальванический шлам - 1,5.

Стеклобой измельчают до полного прохождения через сито 0,315 мм, смешивают с речным песком, микрокремнеземом и гальваническим шламом. Смесь нагревают до температуры 850°С, помещают в форму плиты 60×60×2 см и прессуют при той же температуре под давлением 5,0 МПа, охлаждают до температуры 620°С, а затем производят кристаллизацию по режиму: нагревание до 750°С - 1 час, выдержка при 750°С - 1 час, охлаждение до 50°С - 1 час. Поверхность плиты полируют. После полирования поверхность имеет палево-серый цвет, гранитоподобную текстуру.

Плита имеет следующие физико-механические характеристики:

- прочность при сжатии - 74,3 МПа;

- прочность при изгибе - 50,8 МПа;

- водопоглощение - 0,2%;

- морозостойкость - 475 циклов;

- истираемость - 0,12 г/м².

Пример 2.

Состав композиции (мас.%):

Смесь, состоящая их 50% оконного и 50% тарного стеклобоя - 60;

Дробленый брак фарфоровых изоляторов фракции 0,315-1,25 мм

(фарфоровый песок) - 35;

Микрокремнезем - 3,5;

Сульфат меди - 1,5.

Стеклобой измельчают до полного прохождения через сито 0,315 мм, смешивают с фарфоровым песком, микрокремнеземом и сульфатом меди. Смесь нагревают до температуры 820°С, помещают в форму плиты 60×60×2 см и прессуют при той же температуре под давлением 5,0 МПа, охлаждают до температуры 60°С, а затем производят кристаллизацию по режиму: нагревание до 750°С - 1 час, выдержка при 750°С - 1 час, охлаждение до 50°С - 1 час. Поверхность плиты полируют. После полирования поверхность имеет голубой цвет, среднезернистую структуру, массивную текстуру.

Плита имеет следующие физико-механические характеристики:

- прочность при сжатии - 81,3 МПа;

- прочность при изгибе - 45,4 МПа;

- водопоглощение - 0,16%;

- морозостойкость - 500 циклов;

- истираемость - 0,09 г/м².

Пример 3.

Состав композиции (мас.%):

Тарный стеклобой (бой пивных бутылок коричневого цвета) - 48,0;

Дробленый серпентинит фракции 0,315-1,25 мм - 49,0;

Микрокремнезем - 2,5;

Марганцовокислый калий - 0,5.

Стеклобой измельчают до полного прохождения через сито 0,315 мм, смешивают с серпентинитовым песком, микрокремнеземом и марганцово-кислым калием. Смесь нагревают до температуры 820°С, помещают в форму плиты 60×60×2 см и прессуют при той же температуре под давлением 5,0 МПа, охлаждают до температуры 60°С, а затем производят кристаллизацию по режиму: нагревание до 750°С - 1 час, выдержка при 750°С - 1 час, охлаждение до 50°С - 1 час. Поверхность плиты полируют. После полирования поверхность имеет светло-шоколадный цвет, среднезернистую структуру, флюидальную текстуру.

Плита имеет следующие физико-механические характеристики:

- прочность при сжатии - 86,4 МПа;

- прочность при изгибе - 43,6 МПа;

- водопоглощение - 0,10%;

- морозостойкость - 400 циклов;

- истираемость - 0,06 г/м².

Пример 4.

Состав композиции (мас.%):

Смесь тарного (бой пивных бутылок темно-зеленого цвета)

и оконного стеклобоя - 48,5;

при соотношении (мас.%): тарного - 65, оконного - 35;

Дробленый кварцит соломенно-желтого цвета фракции 0,315-1,25 мм - 49,0;

Микрокремнезем - 2,5.

Стеклобой измельчают до полного прохождения через сито 0,315 мм, смешивают с кварцитовым песком и микрокремнеземом. Смесь нагревают до температуры 890°С, помещают в форму плиты 60×60×2 см и прессуют при той же температуре под давлением 5,0 МПа, охлаждают до температуры 60°С, а затем производят кристаллизацию по режиму: нагревание до 750°С - 1 час, выдержка при 750°С - 1 час, охлаждение до 50°С - 1 час. Поверхность плиты полируют. После полирования поверхность имеет светло-зеленого цвет, среднезернистую структуру, полосчатую текстуру.

Плита имеет следующие физико-механические характеристики:

- прочность при сжатии - 94,1 МПа;

- прочность при изгибе - 48,6 МПа;

- водопоглощение - 0,12%;

- морозостойкость - 400 циклов;

- истираемость - 0,07 г/м².

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №480659, кл. С03С 3/22, 1972.

2. Патент РФ №32044701, кл. С03В 31/00, 1995.

3. Патент RU 2163898, кл. С04В 14/00, 2001.

4. Патент РФ №21749667, кл. С03В 19/06, С03В 31/00, 2001.

5. Патент РФ №1699349, кл. С03В 19/09, 1991.

6. Авторское свидетельство СССР №945109, кл. С03С 3/22, 1982.

7. Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы. - М.: Машиностроение, 1968. 347 с.

Изобретение предназначено для изготовления декоративных плит или плиток для облицовки стен, полов, ступеней тротуаров и других элементов зданий и сооружений. Техническая задача изобретения - создание экологически безопасного состава и способа его производства. В качестве исходного стекла, которое в ходе спекания композиции переходит в ситалл, используют стеклобой оконного или тарного стекла. Для перехода стекла в ситалл используют микрокремнезем - отход ферросплавного или другого производства. Для придания готовой композиции желаемой структуры и текстуры целесообразно ввести в сырьевую смесь природный или искусственный песок фракции 0,315-1,25 мм. Для придания композиции окраски целесообразно использовать соединения переходных металлов или отходы производства, содержащие такие соединения. Для получения продукции стеклобой оконного или тарного стекла или их смеси подвергают дроблению до полного прохождения через сито 0,315 мм, смешивают его с песком, микрокремнеземом и пигментирующим веществом, после чего нагревают до температуры 820-890°С до полного перехода стекла в расплавленное состояние, а затем подвергают прокатке или горячему формованию (прессованию). После формования изделие подвергают кристаллизации, охлаждению и механической обработке, которая заключается в обрезке кромок изделия и его шлифовании (полировании). 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

1. Ситаллокомпозиционный материал, включающий ситалл и заполнитель, отличающийся тем, что для обеспечения прочности материала при сжатии 74-94 МПа, прочности при изгибе 43-50 МПа он дополнительно содержит катализатор кристаллизации - микрокремнезем с удельной поверхностью 35000 см²/г и пигментирующее вещество, в качестве ситалла он содержит спеченный закристаллизованный стеклобой оконного или тарного стекла или их смеси, в качестве заполнителя - природный или искусственный песок фракции 0,315-1,25 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ситалл 50-94 Заполнитель 3,5-44,5 Микрокремнезем 1-5 Пигментирующее вещество 0,0-2,0

2. Ситаллокомпозиционный материал по п.1, отличающийся тем, что используют смесь оконного и тарного стеклобоя при следующем соотношении, мас.%: оконное стекло 0-100; тарное стекло 0-100.

3. Ситаллокомпозиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве пигментирующего вещества он содержит одно или несколько соединений переходных металлов или отход, содержащий такие соединения.

4. Способ получения ситаллокомпозиционного материала по п.1, включающий дробление стеклобоя, смешивание компонентов композиции, спекание, формование, кристаллизацию, охлаждение и механическую обработку, отличающийся тем, что стеклобой оконного или тарного стекла или их смесь подвергают дроблению до полного прохождения через сито 0,315 мм, формование осуществляют с помощью прокатки или горячего прессования.