ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И КЕРАМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАОЛИНА КАРНАБ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследования физико-химических, минералогических и керамико-технологических свойств каолинового сырья месторождения Карнаб Самаркандской области. Изучены шликерные свойства каолина, его дисперсность, плотность и скорость осаждения. Установлено, что каолин месторождения Карнаб соответствует требованиям, предъявляемым к сырью для производства санитарно-технической керамики, и может рассматриваться как перспективный местный источник сырья.

ABSTRACT

This article presents the results of a study on the physicochemical, mineralogical, and ceramic-technological properties of kaolin raw material from the Karnab deposit in the Samarkand region. The slurry properties of kaolin samples, including dispersibility, density, and sedimentation rate, were investigated. The results indicate that Karnab kaolin meets the requirements for the production of sanitary ceramics and can be considered a promising local raw material source.

Ключевые слова: каолин Карнаб, санитарно-техническая керамика, химический состав, рентгенофазовый анализ, муллит.

Keywords: Karnab kaolin, sanitary ceramics, chemical composition, X-ray diffraction analysis, mullite.

Введение

В настоящее время расширение сырьевой базы для керамической промышленности, особенно за счёт эффективного использования местных минеральных ресурсов, является актуальной задачей. В качестве основного сырья широко применяются глинистые материалы, в том числе каолин, который играет важную роль в улучшении технологических свойств керамических масс, расширении интервала спекания и повышении механической прочности готовых изделий [1]. Основным минеральным компонентом каолина является каолинит, обладающий такими свойствами, как огнеупорность, химическая инертность, высокая белизна, дисперсность и низкая диэлектрическая проницаемость, что делает его важным сырьём для производства санитарно-технической керамики, строительной керамики и фарфоровых изделий [2].

Цель исследования. В данной статье представлены результаты физико-химического анализа каолина месторождения Карнаб Самаркандской области. Изучен химический состав каолина Карнаб, а также методом рентгеновского анализа исследованы изменения минерального состава при обжиге при различных температурах. Целью работы является исследование состава и керамико-технологических свойств каолина для последующего получения на его основе санитарно-технических керамических материалов.

Материалы и методы исследования

Химический анализ образцов каолина Карнабского месторождения был проведён рентгенофлуоресцентным методом (EDXRF) на спектрометре Rigaku (Япония) в соответствии с методикой [3].

Для установления индивидуальности образцов каолина проводили рентгенофазовый анализ на аппарате XRD-6100 (Shimadzu, Japan), управляемом компьютером. Применяли CuKα-излучение (β-фильтр, Ni, 1,54178 режим тока и напряжения трубки 30 mA, 30 kV) и постоянную скорость вращения детектора 4 град./мин. с шагом 0,02 град. (ω/2θ-сцепление), а угол сканирования изменялся от 4 до 80^о. Для расчета межплоскостных расстояний использовались таблицы Толкачева, а относительная интенсивность дифракционных линий I/I1 определялась в процентах от наиболее сильно выраженного рефлекса в максимуме [4,5].

Результаты и обсуждения

Из полученных данных по исследованию проб каолина Карнабского месторождения видно, что значение массовой доли Al₂O₃ – 35,2%, а по стандарту – 30±2%. Массовая доля Fe₂O₃ – 0,91%, а по стандарту должна быть не более 1,0%. Массовая доля SiO₂ – 52,1%, а по стандарту должна быть не более 55%. После соответствующей обработки можно получить каолин, соответствующий требованиям стандарта O‘zDSt 1056:2004 к марке АКС-30.

Таблица 1.

Химический состав сырья каолина Карнаба, мас.%

Содержание алюминия и железа в составе каолина определяет его основные качественные показатели. По результатам химического анализа можно сделать вывод, что содержание Al₂O₃ – 35 % и Fe₂O₃ – 0,91 % указывает на потенциальную пригодность каолина для производства санитарно-технической керамики.

Для определения физических и технологических керамических свойств каолина Карнаба первоначально был измельчён образец каолинового сырья. Для получения мелкого помола материал подвергался обработке в лабораторной шаровой мельнице объёмом 5,0 л с водой в соотношении 1:1 и 2:1 в течение 45 минут до получения дисперсности, при которой остаток на сите №0063 составлял 1–1,5 %. Затем были определены такие показатели, как вязкость приготовленного шликера, плотность и скорость оседания. Для изучения усадки при сушке, прочности на изгиб и других свойств из шликера были приготовлены плитки путём заливки в формы размером 10×25×260 мм, 50×50×10 мм и 12×60×110 мм.

Таблица 2.

Физические и керамико-технологические свойства шликерных образцов каолина Карнаба

Минералогический состав исходного каолинового сырья Карнаба определен следующим образом: каолинит (Al₂O₃·2SiO₂·H₂O) d=0,566; 0,394; 0,255; 0,252; 0,237; 0,233; 0,198; 0,166; 0,148 нм; пирофиллит (Al(OH)Si₂O₅) d=0,102; 0,443; 0,333; 0,200; 0,185; 0,165 нм; кварц (SiO₂) d=0,310; 0,283; 0,249; 0,245; 0,223 нм; иллит K< (Al,Fe)₂[OH]₂(AlSi₃O₁₀)nH₂O d=0,370; 0,343; 0,320 нм; мусковит (KAl₂(OH)₂Si₃AlO₁₀) d=0,198; 0,181; нм; биотит K(Fe,Mg)₃[OH]₂(Al,Fe)Si₃O₁₀) d=0,658; 0,265; 0,551 нм; бемит (Al₂O₃·H₂O) d=0,619; 0,233; 0,205; 0,166; 0,161; 0,153; 0,145 нм; лейсит (K₂O·Al₂O₄·4SiO₂) d=0,534; 0,431; 0,413; нм; ортоклаз (K₂O·Al₂O₃·6SiO₂) d=0,380; 0,185; 0,153; нм; анортит (CaO·Al₂O₃·2SiO₂) d=0,934; 0,443; 0,320; 0,315; 0,283; 0,255; нм; галлуазит (Al₂O₃·2SiO₂·4 H₂O) d=0,980; 0,708; 0,601; 0,310 нм.  

Минералогический состав каолинового сырья Карнаба изменился на рентгенограммах после обжига при температуре 1000, 1200 и 1400°C в течение одного часа следующим образом:

Рисунок 1. Рентгенограмма исходного каолинового сырья Карнаба и после обжига в течение одного часа при температурах 1000, 1200 и 1400°C

На рентгенограмме, полученной после обжига при 1000°C, каолинит отсутствует, и в основном формируется кристаллическая фаза, относящаяся к минералу муллит. Муллит (3Al₂O₃·2SiO₂) d = 0,420; 0,335; 0,243; 0,211; 0,153 нм. В исходном образце каолина основные пики соответствовали минералу кварц, и произошло превращение β-кварца в α-кварц. α-Кварц (SiO₂) d = 0,333; 0,222; 0,137 нм. На рентгенограмме, полученной после обжига при 1200°C, минералогический состав изменился следующим образом: муллит d = 0,537; 0,424; 0,346; 0,342; 0,288; 0,254; 0,242; 0,229; 0,220; 0,169; 0,160; 0,152; 0,144 нм; наблюдалось превращение α-кварца в α-тридимит. α-Тридимит (SiO₂) d = 0,407; 0,334; 0,081; 0,212 нм. На рентгенограмме, полученной после обжига при 1400°C, наблюдалось появление в основном дифракционных максимумов, относящихся к минералу муллит. Муллит d = 0,534; 0,342; 0,287; 0,253; 0,220; 0,211; 0,188; 0,183; 0,169; 0,160; 0,152; 0,144 нм; наблюдалось превращение α-тридимита в кристобалит. Кристобалит d = 0,405 нм.

Заключение

В результате проведённых исследований были детально изучены химические, минералогические и керамико-технологические свойства каолинового сырья Карнаба. Результаты химического анализа показали, что содержание Al₂O₃ в каолине высокое, а Fe₂O₃ относительно низкое, что подтверждает его пригодность для производства санитарно-технической керамики. По результатам рентгенофазового анализа было установлено, что в процессе обжига каолинитовая фаза превращается в фазу муллита, а при высоких температурах формируется стабильная кристаллическая структура. Полученные данные научно обосновывают высокую возможность применения каолина Карнаба в качестве местного сырья для производства санитарно-технической керамики.

Список литературы:

1. А. С. Толкачева, И. А. Павлова. Общие вопросы технологии тонкой керамики: учеб. пособие— Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 184 с.
2. Сальник В.Г. Особенности состава и свойств глин для санитарной керамики. Sciences of Europe journаl. 2020 г. № 49. С. 36-40.
3. Жуков А. Ф. Петрухина О. М., Кузнецовой Л. Б. Химические методы анализа // Лаборатория знаний, 2023. 478 с.
4. Ковба Л.М., Трунов В.К., Рентгенофазовый анализ // Московского Университета, 1969. 16 с.
5. X-Ray Powder Diffraction Data File American Society for Testing and Materials. Philadelphia, 1988.