ШЛИКЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2024 года по МПК C04B35/111 C04B35/632 

Изобретение относится к составам шликера для производства высокопрочной корундовой керамики и может быть использовано при изготовлении износостойких изделий для электротехнической и обрабатывающей промышленности, а также керамических бронеэлементов.

Известен состав шликера [см. авторское свидетельство СССР №698953, МПК С04В 21/00, опубл. 1979], в котором керамический наполнитель (Al₂O₃) смешивают со связующим при их следующем количественном соотношении, мас.%:

Керамический наполнитель (Al₂O₃)81,0-85,0 )81,0-85,0 Водный раствор кремнийорганической связки (в пересчете на SiO₂)4,5-14,0 )4,5-14,0 Хлористый алюминий (безводный)0,5-1,0 Хлористый алюминий (безводный)0,5-1,0 Гипс4,0-10,0 Гипс4,0-10,0

Недостатками этого шликера является повышенная пористость и низкая прочность керамики, которым способствует выделение значительного количества газообразного SO₃, образовавшегося при термическом разложении гипса. Пористость полученного материала 45-52%, прочность при изгибе 300-340 кг/см².

Наиболее близким к изобретению является шликер для получения керамического материала, включающий тонкодисперсный оксид алюминия, диспергирующую добавку Dolapix СЕ64, деионизированную воду и раствор нитрата магния [см. патент US №6066584, кл. С04В 35/111, опубл. 23.05.2000].

Для приготовления шликера смешивали 370 г тонкодисперсного оксида алюминия, имеющего средний размер частиц, равный ≤0,30 мкм, со смесью 80 мл дистиллированной воды, 3,7 мл диспергирующей добавки Dolapix СЕ64 и 18,5 мл раствора нитрата магния. Затем осуществляли обработку указанной смеси таким образом, чтобы получить форму неспеченного тела, имеющего относительную плотность р≈55%; нагрев указанного необожженного тела; и спекание указанного несжатого тела с получением спеченного материала. Микроструктурный анализ спеченного продукта показал отдельные поры размером ≈0,3 мкм с частотой 2×10⁺⁹ м^-2 (безразмерная плотность дефектов составляет 0,6×10^-3) и дополнительные скопления пор, похожие на гнезда, с частотой 7×10⁺⁸ м^-2; типичный размер этих пористых областей составлял от 3 до 50 мкм.

К недостаткам известного шликера относятся низкая прочность, твердость и высокая пористость получаемых керамических изделий.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение пористости, увеличение прочности и твердости керамических изделий.

Технический результат достигается тем, что шликер для получения керамического материала, включающий тонкодисперсный глинозем, диспергирующую добавку Dolapix СЕ64 и деионизированную воду, шликер содержит тонкодисперсный глинозем с размером частиц 0,8-1,2 мкм, легированный оксидом магния, при следующем соотношении компонентов, мас. %: тонкодисперсный глинозем (Al₂O₃), легированный оксидом магния (MgO)-80,0-85,0; диспергирующая добавка 5,0-10,0; деионизированная вода - остальное, при этом тонкодисперсный глинозем (Al₂O₃), легированный оксидом магния (MgO), содержит мас. %: оксид алюминия - 99,7; оксид магния - 0,3.

Для получения предлагаемого шликера первоначально готовят связку, для чего в расчетное количество деионизированной воды вводят необходимое количество диспергирующей добавки Dolapix СЕ64, представляющей собой смесь поверхностного цитрата тригидроксиэтил аммония, лимонной кислоты, этиленгликоля и пропиленкарбоната. Добавление диспергирующей добавки снижает ζ-потенциал дисперсии, а положение изоэлектрической точки (ИЭТ) смещается к значению 6.5. Сдвиг ИЭТ является результатом адсорбции отрицательно заряженных цитрат-ионов на положительно заряженной поверхности частиц оксида алюминия. Приготовленная связка заливается в барабан шаровой мельницы и туда же загружается тонкодисперсный глинозем (Al₂O₃), легированный оксидом магния (MgO), (на 99,7 мас. ч. оксида алюминия приходится 0,3 мас. ч. оксида магния), предварительно прошедший термообработку в сушильном шкафу при 120-250°С в течение 1,5-3 ч и мелющие тела в соотношении: шары - глинозем 1:1. Процесс перемешивания производится в течение 24 ч, и затем без шаров (для удаления воздушных пузырьков) в течение 3 ч.

Полученный шликер (суспензия) визуально представляет собой гомогенную однородную суспензию, не склонную к агрегированию, имеет хорошую текучесть, что способствует его равномерному, плотному заполнению в гипсовую форму.

После перемешивания шликер отливают в гипсовые формы. Длительность образования сырого изделия в гипсовой форме составляет 10 мин за счет протекания процесса подвяливания. Формирование сырых заготовок вначале происходит в самой гипсовой форме в течение 12 ч, а затем после извлечения из нее в естественных условиях путем сушки на воздухе в течение 48 ч. Обжиг изделий проводят в воздушной печи с нагревом природным газом при температуре 1650-1680°С с выдержкой 2 ч.

При добавлении к водному шликеру с использованием тонкодисперсного глинозема связки из дисперсанта Dolapix СЕ64, разбавленного деионизированной водой, обеспечивается создание устойчивой к оседанию системы. Количество связки определяется удельной поверхностью глинозема и соотношением «твердая фаза - жидкость». «Dolapix СЕ64» представляет собой смесь поверхностного цитрата тригидроксиэтил аммония, лимонной кислоты, этиленгликоля и пропиленкарбоната. Добавление дисперсанта снижает ξ-потенциал дисперсии, а положение изоэлектрической точки (ИЭТ) смещается к значению 6.5. Сдвиг ИЭТ является результатом адсорбции отрицательно заряженных цитрат-ионов на положительно заряженной поверхности частиц оксида алюминия. Размеры агломератов керамических частиц зависят от рН в присутствии «Dolapix СЕ64». Распределение агрегатов частиц по размерам резко отличается от аналогичного распределения агрегатов без дисперсанта. Наибольшая агрегация керамических частиц в изоэлектрической точке. Снижение агрегации частиц наблюдается при любых значениях рН>рН_ИЭТ. Агрегаты мгновенно распадаются на отдельные керамические частицы при любых отрицательных значениях ξ-потенциала и дисперсия стабильна уже при рН>7. Такое поведение частиц оксида алюминия в присутствии «Dolapix СЕ64» обусловлено синергетическим эффектом основных компонентов дисперсанта. Так, лимонная кислота вследствие хелатирования, т.е. вследствие связывания ионов и молекул, образует прочные связи с поверхностью керамических частиц, а карбоксильные группы обуславливают электростатическую стабилизацию. Этаноламин, используемый в качестве компонента поверхностно-активных веществ, способствует снижению поверхностной энергии керамических частиц в дисперсии. Сорбируясь на частицах оксидов алюминия, цитрат этаноламония, содержащийся в «Dolapix СЕ64», вызывает электростатическое отталкивание и соответственно устойчивость к агломерации, что приводит к снижению вязкости, достаточной для получения низковязкой дисперсии.

Шликер получали смешиванием ингредиентов, приведенных в таблице 1.

Пример 1

В качестве исходного сырья для получения корундовой керамики был использован глинозем фирмы Almatis марки СТ 3000 SG, легированный оксидом магния (MgO), с размером частиц 0,8-1,2 мкм. В качестве связки использовался дисперсант марки Dolapix СЕ 64, разбавленный деионизированной водой. Процесс приготовления связки заключался в том, что в 9 мас.ч. деионизированной воды вводили 11 мас. ч. дисперсанта Dolapix СЕ 64. Приготовленная связка заливалась в барабан шаровой мельницы и туда же загружался тонкодисперсный глинозем Almatis марки СТ 3000 SG 80 мас. ч. и мелющие тела, в соотношении: шары - глинозем 1:1. Процесс перемешивания происходил в течение 24 ч, и затем без шаров (для удаления воздушных пузырьков) в течение 3 ч. После перемешивания шликер отливали в гипсовые формы для получения спеченной керамической плитки размером 50×50 мм и толщиной 5 мм. Длительность формирования сырого изделия в гипсовой форме составляла 10 мин. Затем происходил процесс подвяливания сырых заготовок вначале в самой гипсовой форме в течение 12 ч, а затем после извлечения из нее - в естественных условиях осуществлялась сушка на воздухе в течение 48 ч. Обжиг изделий проводили в воздушной печи с нагревом природным газом при температуре 1650-1680°С с выдержкой 2 ч. После завершения процесса спекания полученные изделия испытывали для определения их физико-технических характеристик.

Пример 2

Шликер приготавливался аналогично, как и в примере 1, так же был использован глинозем фирмы Almatis марки СТ 3000 SG, легированный оксидом магния (MgO), с размером частиц 0,8-1,2 мкм. В качестве связки использовался дисперсант марки Dolapix СЕ 64, разбавленный деионизированной водой. Отличие от примера 1 состояло в том, что для приготовления связки в 10 мас. ч. деионизированной воды вводили 5 мас. ч. дисперсанта Dolapix СЕ 64. Приготовленная связка заливалась в барабан шаровой мельницы и туда же загружался тонкодисперсный глинозем Almatis марки СТ 3000 SG 80 мас. ч.

Остальные операции выполнялись те же самые, что приведены в описании в примере 1.

Пример 3

Шликер приготавливался аналогично, как и в примере 1, так же был использован глинозем фирмы Almatis марки СТ 3000 SG, легированный оксидом магния (MgO), с размером частиц 0,8-1,2 мкм. В качестве связки использовался дисперсант марки Dolapix СЕ 64, разбавленный деионизированной водой. Отличие от примера 1 состояло в том, что для приготовления связки в 7 мас. ч. деионизированной воды вводили 10 мас.ч. дисперсанта Dolapix СЕ 64. Приготовленная связка заливалась в барабан шаровой мельницы и туда же загружался тонкодисперсный глинозем Almatis марки СТ 3000 SG 83 мас.ч.

Остальные операции выполнялись те же самые, что приведены в описании в примере 1.

Пример 4

Шликер приготавливался аналогично, как и в примере 1, так же был использован глинозем фирмы Almatis марки СТ 3000 SG, легированный оксидом магния (MgO), с размером частиц 0,8-1,2 мкм. В качестве связки использовался дисперсант марки Dolapix СЕ 64, разбавленный деионизированной водой. Отличие от примера 1 состояло в том, что для приготовления связки в 15 мас.ч. деионизированной воды вводили 10 мас.ч. дисперсанта Dolapix СЕ 64. Приготовленная связка заливалась в барабан шаровой мельницы и туда же загружался тонкодисперсный глинозем Almatis марки СТ 3000 SG 75 мас.ч.

Пример 5

Шликер приготавливался аналогично, как и в примере 1, так же был использован глинозем фирмы Almatis марки СТ 3000 SG, легированный оксидом магния (MgO), с размером частиц 0,8-1,2 мкм. В качестве связки использовался дисперсант марки Dolapix СЕ 64, разбавленный деионизированной водой. Отличие от примера 1 состояло в том, что для приготовления связки в 8 мас.ч. деионизированной воды вводили 4 мас.ч. дисперсанта Dolapix СЕ 64. Приготовленная связка заливалась в барабан шаровой мельницы и туда же загружался тонкодисперсный глинозем Almatis марки СТ 3000 SG 88 мас.ч.

Остальные операции выполнялись те же самые, что приведены в описании в примере 1.

Составы шликеров приведены в табл. 1, а свойства шликеров и изготовленных из нее корундовых изделий в виде керамических плиток размером 50×50×5 мм, приведены в табл. 2.

Как видно из таблицы, максимальные плотность, модуль упругости и микротвердость спеченных керамических плиток, изготовленных из предложенных составов шликеров, имели партии образцов №2 и №3 с использованием дисперсанта «Dolapix СЕ64» в количестве 5 и 10 мас.% соответственно. Эти же образцы из партий №2 и №3 по своим физико-техническим характеристикам существенно превосходят характеристики керамических образцов, изготовленных из шликера прототипа.

Соотношение компонентов шликера подобрано опытным путем, является оптимальным и обеспечивает его положительные литейные свойства. Изменение количеств компонентов в шликере, более или менее заявленных, приводит к ухудшению его литейных свойств и к потере прочности обожженных изделий. При содержании твердой фазы более 85 мас.ч. шликер теряет текучесть и наблюдается эффект его затвердевания.

При исследовании влияния «Dolapix СЕ64» различной концентрации на размер агрегатов частиц оксида алюминия было выявлено, что минимум агрегации наблюдался при концентрации 5,0 и 10,0 мас.% (составы 2 и 3), выше 10,0 мас.% размер агрегатов возрастал. Концентрация «Dolapix СЕ64» от 5,0 до 10,0 мас.% приводит к наименьшему размеру агломератов из частиц оксида алюминия. При увеличении концентрации выше 10,0 мас.% или уменьшении ниже 5,0 мас.% частицы оксида алюминия начинают агрегировать. Это означает, что концентрации дисперсанта «Dolapix СЕ64 от 5 до 10,0 мас.%, - оптимальный диапазон концентраций дисперсанта, необходимый для однослойной адсорбции дисперсанта на поверхности керамических частиц. Добавление дисперсанта в количестве, большем, чем может адсорбироваться на поверхности частиц, может привести к его избытку в дисперсии. Избыточное количество дисперсанта приводит к многослойному покрытию частицы, либо покрывает несколько частиц сразу, образуя устойчивый агломерат.

Таким образом, для стабилизации водной дисперсии порошка оксида алюминия использование дисперсанта «Dolapix СЕ64» в указанных пределах позволяет исключить агрегацию керамических частиц, что достаточно для использования дисперсии в шликерном литье.

Основными преимуществами предложенного состава шликера в сравнении с прототипом являются следующие:

1. Керамические изделия обладают меньшей пористостью и большей плотностью и прочностью по сравнению с изделиями, изготовленными по рецепту, указанному в прототипе.

2. Шликер с добавлением дисперсанта обладает высокой седиментационной устойчивостью.

3. При изготовлении шликера отсутствуют агломераты.

4. Керамические изделия из шликера обладают повышенной стойкостью к воздействию ударных нагрузок.

5. Добавление дисперсанта приводит к повышению оборачиваемости гипсовых форм, так как поры в гипсе не забиваются частицами глинозема.

6. Добавление дисперсанта позволяет легче вынимать сырые изделия из гипсовых форм.

Изобретение относится к составам шликера для производства высокопрочной корундовой керамики и может быть использовано при изготовлении износостойких изделий для электротехнической и обрабатывающей промышленности, а также керамических бронеэлементов. Сущность изобретения состоит в том, что шликер для получения керамического материала, включает тугоплавкий керамический компонент и связку, в качестве тугоплавкого керамического компонента содержит тонкодисперсный глинозем, легированный оксидом магния, с размером частиц 0,8-1,2 мкм, а в качестве связки - диспергирующую связку Dolapix CE64 и деионизированную воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: тонкодисперсный глинозем, легированный оксидом магния (Аl₂O₃) 80,0-85,0; диспергирующая связка 5,0-10,0; деионизированная вода - остальное. Технический результат - снижение пористости, повышение плотности, увеличение прочности и твердости керамических изделий, получаемых методом литья водного шликера в пористые формы. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.

1. Шликер для получения керамического материала, включающий тонкодисперсный глинозем, диспергирующую добавку Dolapix СЕ64 и деионизированную воду, отличающийся тем, что шликер содержит тонкодисперсный глинозем с размером частиц 0,8-1,2 мкм, легированный оксидом магния, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

тонкодисперсный глинозем (Al₂O₃), легированный оксидом магния (MgO)80,0-85,0 )80,0-85,0 диспергирующая добавка5,0-10,0 диспергирующая добавка5,0-10,0 деионизированная водаостальное деионизированная водаостальное

2. Шликер для получения керамического материала по п. 1, отличающийся тем, что тонкодисперсный глинозем (Al₂O₃), легированный оксидом магния (MgO), содержит мас.%:

оксид алюминия 99,7 оксид магния 0,3