Фарфоровая масса Российский патент 2025 года по МПК C04B33/24 B82Y99/00 

Изобретение относится к составам для получения фарфора, полуфарфора и фаянса и может быть использовано для получения изделий бытового и технического назначения.

Изобретение направлено на снижение температуры спекания и повышение физико-механических свойств керамических изделий при одновременном повышении реакционной способности шихты за счет введения нановолокон оксида алюминия.

Известна керамическая масса для изготовления фарфора [Патент RU №2162830, МПК C04B 33/24, опубл. 10.02.2001], содержащая следующие компоненты, масс. %: каолин 40,0-42,0; глина беложгущаяся 9,5-10,0; кварцевый песок 0,1-13,0; пегматит 24,0-25,0; глинозем 0,1-2,0; бой фарфоровых изделий 6,0-7,0; кварцевый концентрат 3,0-17,8. Окончательный обжиг изделий производится при 1240-1320°С.

Недостатком данной керамической массы является высокая температура обжига керамики, а также сложный вещественный состав, что приводит к усложнению технологии и увеличению энергозатрат на производство фарфора.

Известна фарфоровая масса [Патент RU №2139265, МПК C04B 33/24, опубл. 10.10.1999], предназначенная преимущественно для изготовления санитарно-технических изделий, состав, масс. %: каолин 12-20; огнеупорная глина 16-28; кварцевый песок 18-24; пегматит 15-20; черепок (фарфоровый бой) 5-7, дополнительно вводят отходы отработанного катализатора ИМ 2201 в количестве 10-12 масс. %, что позволяет снизить стоимость фарфоровых изделий и уменьшить износ оборудования, используемого для помола камнеподобных компонентов керамической массы.

Недостатком данной фарфоровой массы является высокая температура обжига, сложный вещественный состав и низкая прочность фарфоровых изделий.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является фарфоровая масса [Патент RU №2372312, МПК C04B 33/24, опубл. 10.11.2009] следующего вещественного состава, масс. %: каолин - 32,0-34,0; кварцевый песок - 10,0-12,0; керамический бой - 10,0-12,0; пегматит - 10,0-12,0; глина беложгущаяся - 31,0-35,5, указанное стекловолокно - 0,5-1,0.

Основным недостатком фарфоровой массы является высокая температура обжига, порядка 1320°С - 1410°С, что обуславливает значительную энергоемкость процесса получения фарфора и, как следствие, повышенную себестоимость его производства. Кроме того, введение в состав керамической массы стекловолокна длинной 2-5 мм не обеспечивает значительного повышение прочности фарфоровых изделий.

Целью изобретения является увеличение выхода фазы муллита, снижение водопоглощения, повышение прочности фарфоровой керамики при одновременном повышении реакционной способности шихты и снижении температуры обжига.

Поставленная цель достигается тем, что в состав фарфоровой массы, содержащей каолин, и кварцевый песок, согласно изобретению, дополнительно вводят кварц-полевошпатовый песок и нановолокона оксида алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

каолин 38,0-45,0 кварцевый песок 18,4-19,9 кварц-полевошпатовый песок 35,0-43,0 нановолокна оксида алюминия 0,1-0,6

В изобретении сырьевые компоненты фарфоровой массы совместно измельчают и гомогенизируют в кольцевой мельнице до крупности частиц менее 0,056 мм. Производят компоновку исходных сырьевых материалов с учетом их химического состава и диаграммы состояния трёхкомпонентной системы Al₂O₃-SiO₂-(Na₂O+K₂O).

С целью повышения физико-механических свойств керамики в подготовленную шихту добавляют двухпроцентную водную суспензию нановолокон оксида алюминия. С целью равномерного распределения нановолокон в объеме системы проводят ее стабилизацию перемешиванием в течение 5 ч. Полученную массу подсушивают до относительной влажности 20-22 мас.% и методом пластического формования получают образцы фарфоровой керамики.

Заявляемый состав фарфоровой массы (мас.%) в приведенных количественных пределах подобран экспериментально с учетом химического состава входящих в него компонентов и обеспечивает минимальное значение водопоглощения, при температуре спекания 1200°С, а также высокую прочность получаемой фарфоровой керамики.

Содержание каолина в заявляемых пределах обеспечивает необходимую пластичность керамической массы на стадии формования, а также определяется количеством оксида алюминия (37,15 мас.%) и оксида кремния (47,6 мас.%), обеспечивающих образование муллита в процессе спекания керамики.

Кварц-полевошпатовый песок - отходы обогащения молибденовых руд Сорского горнообогатительного комбината выбран в качестве плавнеобразующего компонента фарфоровой массы. Он содержит значительные количества калия и натрия, в пересчете на оксиды, в среднем, 8,2 мас.%. Фазовый состав отходов представлен (мас.%), преимущественно, полевыми шпатами, такими как альбит - NaАlSi₃O₈ (54,2) и ортоклаз - КАlSi₃O₈ (7,5), а также кварцем SiO₂ (28,2) и анортитом - СаАl₂Si₂O₈ (7,5), что позволяет рассматривать их как комплексный заменитель полевых шпатов в фарфоровых массах. Кварц-полевошпатовый песок характеризуется равномерным плавлением при температуре выше 1100°С, а при температурах 1100-1200°С проявляется плавнеобразующий эффект.

Содержание кварц-полевошпатового песка в заявляемых пределах обеспечивает образование достаточного количества жидкой фазы для спекания фарфоровой массы и достижения минимального (менее 1%) водопоглощения керамических образцов.

Кварцевый песок в указанных пределах вводится в качестве отощителя-наполнителя для обеспечения необходимых сушильных свойств керамической массы, а также формирования кристаллической фазы в спеченной керамике, обеспечивающей высокие прочностные свойства фарфоровых изделий.

Таким образом, содержание каолина, кварц-полевошпатового песка и кварцевого песка, в заявляемых диапазонах, позволяет достичь минимальных значений водопоглощения и высоких значений прочности. Выход за указанные диапазоны составов компонентов шихты приводит к повышению водопоглощения и снижению прочности фарфоровой керамики.

В состав шихты дополнительно вводят нановолокна оксида алюминия диаметром от 8 до 10 нм и длиной от 0,5 до 1 мкм в виде 2% водной суспензии, полученной диспергированием ультразвуком.

Нановолокна оксида алюминия имеют развитую удельную поверхность и, как следствие, обладают значительной поверхностной энергией. Введение нановолокон оксида алюминия значительно увеличивает реакционную способность керамической шихты, что приводит к активации процесса спекания и синтеза новых кристаллических фаз. В частности, отмечено, что введение нановолокон оксида алюминия приводит к увеличению растворимости альбита и ортоклаза в жидкой фазе при более низких температурах, что приводит к увеличению объема расплава и, соответственно, уменьшению водопоглощения. Это подтверждается увеличением содержания рентгеноаморфной стеклофазы после спекания образцов фарфора. Наличие в составе фарфоровой массы нановолокон оксида алюминия также приводит к увеличению содержания муллита в керамике после спекания, что обеспечивает повышение ее прочности.

Введение нановолокон оксида алюминия менее 0,1 мас.% не позволяет достичь технического эффекта повышения прочности и снижения водопоглощения. Введение более 0,6 мас.% нецелесообразно, так как это приводит к коагуляции нановолокон оксида алюминия и образованию в шихте агрегатов, уменьшающих удельную поверхность, что приводит к снижению реакционной способности шихты и снижению прочности и повышению водопоглощения керамики.

Предлагаемое изобретение поясняется следующим примером.

Керамическую фарфоровую массу, следующего вещественного состава, мас.%: каолин - 38,0, кварц-полевошпатовый песок - 43,0, кварцевый песок - 18,4, подвергают измельчению и гомогенизации в кольцевой мельнице до крупности частиц менее 0,056 мм. Затем в состав шихты вводят 0,6 мас.% нановолокон оксида алюминия в виде 2% водной суспензии, полученной диспергированием ультразвуком. С целью равномерного распределения нановолокон в объеме системы проводят ее стабилизацию перемешиванием в течение 5 ч. Далее материал подсушивают до относительной влажности 20-22 мас.%, формуют пластическим методом и обжигают на воздухе при температуре 1200°С с изотермической выдержкой в течение 2 ч. Фазовый состав керамики определяется рентгенографическим методом. Физико-механические свойства керамики определяются с использованием стандартных методик. Физико-механические показатели фарфора заявляемого состава керамической массы и прототипа представлены в таблице.

Как видно из таблицы предлагаемый состав фарфоровой массы, дополнительно включающий нановолокна оксида алюминия, по сравнению с известным составом, позволяет получить фарфоровую керамику с практически нулевым водопоглощением, и повышенной прочностью при изгибе.

Таблица - Примеры компонентного состава керамической массы и физико-механические свойства фарфора

Компонентный состав фарфоровой массы, мас.% Свойства керамических образцов Каолин Глина беложкущаяся Пегматит Кварц-полевошпатовый песок Керамический бой Кварцевый песок Стекловолокно Нановолокна оксида алюминия Прочность при изгибе, МПа Водопоглощение, % Прототип 34,0 31,0 12,0 - 10 12,0 1,0 - 75-80 - Пример 1 45,0 - - 35,0 - 19,9 - 0,1 80 0,48 Пример 2 42,0 - - 38,0 - 19,8 - 0,2 87 0,35 Пример 3 40,0 - - 40,0 19,6 - 0,4 92 0,22 Пример 4 38,0 - - 43,0 - 18,4 - 0,6 98 0,08

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является состав фарфоровой массы, с повышенной реакционной способностью шихты, позволяющий получать фарфоровые изделия при пониженной температуре обжига с лучшими значениями показателей водопоглощения и прочности.

Изобретение относится к составам для получения изделий бытового и технического назначения. Технический результат - снижение температуры спекания и повышение физико-механических свойств керамических изделий при одновременном повышении реакционной способности шихты. Фарфоровая масса содержит, мас.%: каолин 38,0-45,0; кварцевый песок 18,4-19,9; кварц-полевошпатовый песок 35,0-43,0; нановолокна оксида алюминия 0,1-0,6. 1 табл.

Фарфоровая масса, включающая каолин, кварцевый песок, отличающаяся тем, что дополнительно содержит кварц-полевошпатовый песок и нановолокона оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

каолин 38,0-45,0 кварцевый песок 18,4-19,9 кварц-полевошпатовый песок 35,0-43,0 нановолокна оксида алюминия 0,1-0,6