Исследование физико-химических и технологических свойств глины месторождения Яметин (Республика Союз Мьянма) для производства высокопористой керамики
Исследование физико-химических и технологических свойств глины месторождения Яметин (Республика Союз Мьянма) для производства высокопористой керамики
Аннотация
В данной работе проведено комплексное исследование физико-химических и технологических свойств глинистого сырья месторождения Яметин (Республика Союз Мьянма) с целью оценки его пригодности для производства высокопористой керамики. Методами рентгенофазового анализа, химического состава, пластичности, прессуемости, термического анализа изучены основные характеристики материала. Установлено, что глинистое сырье содержит порядка 70% SiO₂ и 19% Al₂O₃ с преобладанием каолинита. Определены оптимальные параметры формования (давление прессования 100–150 МПа) и обжига (1100–1150 °C), обеспечивающие открытую пористость 23–28% и прочность при изгибе до 10,8 МПа. Особое внимание уделено анализу влияния температуры обжига на изменение пористой структуры. Результаты демонстрируют перспективность использования данного сырья для изготовления теплоизоляционной и фильтрационной керамики после соответствующей модификации состава.
1. Введение
Глинистое сырье имеет большое значение в связи с его обширным применением в различных отраслях государства. Поэтому важным является изучение свойств глинистых пород. Глинистое сырье широко используется в производстве строительных материалов — кирпича, керамзита, плитки, керамических труб; хозяйственно-бытовой посуды; огнеупоров; в водоподготовке — для очистки сточных вод от твёрдых веществ; в косметологии: для изготовления различных косметических продуктов; в сельском хозяйстве и пр.
Открытие нового месторождения требует проведения исследований и изучения свойств глинистых материалов, что в дальнейшем может привести к открытию производства в зоне залежи глинистого сырья. Открытие и изучение новых источников сырья позволяет расширить ресурсную базу и снизить зависимость от ограниченных источников, что важно для обеспечения устойчивого развития и улучшения экономической ситуации в стране. Не менее важным является оценка влияния нового источника сырья на окружающую среду, благодаря исследованию мы сможем оценить и разработать методы экологически безопасного его использования.
Таким образом, открытие нового месторождения глин Яметин в Республике Союз Мьянма может благоприятно воздействовать на развитие экономики центрального региона страны, способствуя увеличению объёма производства, поможет снизить зависимость от уже имеющихся источников, поспособствует укреплению экономических связей между Мьянмой и другими странами. Современные тенденции в материаловедении характеризуются повышенным интересом к разработке пористых керамических материалов, которые находят применение в качестве теплоизоляторов, фильтрующих элементов и биокерамики
. Особую ценность представляют месторождения глин с уникальными свойствами, требующие детального изучения. Глины Республики Союз Мьянма, в частности месторождения Яметин, остаются недостаточно исследованными, несмотря на их значительный промышленный потенциал , , , .Актуальность настоящего исследования обусловлена совокупностью факторов. Во-первых, существует необходимость расширения сырьевой базы для производства пористой керамики, что особенно важно в условиях ограниченности традиционных источников качественного глинистого сырья. Во-вторых, наблюдается устойчивый рост спроса на экологически безопасные материалы с низкой теплопроводностью, востребованные в строительной и теплоизоляционной отраслях. В-третьих, в настоящее время отсутствуют систематические данные о свойствах глин рассматриваемого региона, что затрудняет их целенаправленное промышленное использование.
В связи с этим целью настоящей работы является комплексное исследование минералогического, химического и физико-механического состава глины данного месторождения, а также разработка рекомендаций по их применению для получения пористых керамических материалов с заданными эксплуатационными характеристиками.
2. Методы и принципы исследования
2.1. Характеристика образцов
Исследуемые образцы глины были отобраны в районе месторождения Яметин (центральная часть Мьянмы). Визуально материал представляет собой однородную массу светло-коричневого цвета с включениями песчаных частиц. Предварительная подготовка проб включала сушку при температуре 105 °C до постоянной массы, последующее измельчение материала в шаровой мельнице и просеивание полученного порошка через сито 0074.
2.2. Методы исследования
Для всесторонней характеристики материала применён комплекс современных аналитических методов. Химический состав определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа (XRF) на спектрометре ARLAdvant'X; потери при прокаливании (ППП) фиксировали при 1000 °C. Минералогический состав изучали с использованием рентгенофазового анализа (РФА) на дифрактометре ДРОН-3М в Cu-Kα излучении, интерпретация дифрактограмм проводилась с применением базы данных PDF-2. Физико-механические свойства глинистого сырья исследовали по следующим параметрам: пластичность определяли на приборе Васильева; прессуемость — по результатам формования образцов при давлениях 50, 100 и 150 МПа ; спекаемость — печным способом по данным обжига в диапазоне температур 900–1400 °C (скорость нагревания 3 °C/мин., продолжительность выдержки при конечной температуре 2 ч) . Пористость обожженного материала определяли по методике ГОСТ 21216-2014 с последующим расчётом открытой пористости и кажущейся плотности; жидкость насыщения — вода . Определение механической прочности при трехточечном изгибе проводили на образцах в виде балочек размером 40*6*6 мм при комнатной температуре по методике ГОСТ 24409-80 .
3. Результаты и обсуждение
3.1. Химический и минеральный состав
Результаты химического анализа (табл. 1) свидетельствуют о том, что глина месторождения Яметин относится к высококремнеземистым разновидностям с содержанием SiO₂ 70,61 мас. %. Сравнительно высокая доля Al₂O₃ (19,06 мас. %) указывает на потенциально хорошие огнеупорные свойства. Присутствие оксидов железа (3,15 мас. %) ограничивает применение в производстве белой керамики, но не является критичным для теплоизоляционных материалов.
Химический состав глинистого сырья
Глина | SiO2, мас.% | Al2O32, мас.% | Fe2O32, мас.% | TiO22, мас.% | CaO2, мас.% | MgO2, мас.% | Na2O2, мас.% | K2O2, мас.% | ППП2, мас.% |
Яметин | 70,61 | 19,06 | 3,15 | 1,35 | 0,58 | 1,85 | 0,57 | 0,92 | 9,81 |
Рентгенофазовый анализ (рис. 1) выявил наличие следующих основных минеральных фаз. Основу образца составляет каолинит (Al₂Si₂O₅(OH)₄), доля которого варьируется в пределах 65–70%. Вторым по содержанию компонентом является кварц (SiO₂) — 20–25%. Также в меньших количествах присутствует иллит [(K,H₃O)(Al,Mg,Fe)₂ (Si,Al)₄O₁₀[(OH)₂·(H₂O)]), содержание которого составляет 5–10%.
Рисунок 1 - Фазовый состав глины месторождения Яметин
Исследование пластических характеристик показало низкую пластичность материала. Число пластичности составило 1,1, что указывает на ограниченные деформационные способности. Граница текучести равнялась 10,8, а граница раскатывания — 9,7. Такие значения указывают на необходимость введения пластифицирующих добавок (например, бентонита) для улучшения формовочных свойств. Реологические исследования шликера выявили его склонность к тиксотропному загустеванию, что важно учитывать при литьевом формовании.
3.3. Влияние давления прессования
Данные табл. 2 демонстрируют прямую зависимость между давлением прессования и плотностью образцов. Увеличение давления с 50 до 150 МПа приводит к росту общей плотности с 2,28 до 2,39 г/см³. При этом плотность в пересчёте на минеральное вещество возрастает с 2,05 до 2,16 г/см³, что свидетельствует о более эффективном удалении пор при высоких давлениях.
Таблица 2 - Прессуемость глинистого сырья
Давление прессования, МПа | Плотность общая, г/см3 | Плотность в пересчете на минеральное вещество, г/см3 |
50 | 2,28 ± 0,02 | 2,05 ± 0,02 |
100 | 2,36 ± 0,02 | 2,13 ± 0,02 |
150 | 2,39 ± 0,02 | 2,16 ± 0,02 |
3.4. Поведение глины в обжиге
Анализ полученных зависимостей величин кажущейся плотности, открытой пористости, водопоглощения и линейной усадки (рис. 2-5) позволяет выделить три характерных температурных диапазона. В интервале температур 900–1200 °C наблюдается этап постепенного удаления физически связанной воды и начальных стадий спекания материала. При температурах 1250–1300 °C начинается интенсивное спекание, сопровождающееся залечиванием пор, формированием плотной структуры черепка и, как следствие, значительным ростом прочностных характеристик материала, что особенно наглядно проявляется для образцов, обожженных при температуре 1300 °C. В диапазоне температур 1350–1400 °C фиксируется перегрев образцов, который может приводить к деструкции структуры (т.н. «пережогу») и снижению эксплуатационных свойств.
Рисунок 2 - Температурная зависимость кажущейся плотности образцов, отпрессованных при различном давлении
Рисунок 3 - Зависимость открытой пористости образцов от температуры обжига и давления прессования
Рисунок 4 - Влияние давления прессования и температуры обжига на величину водопоглощения обожженной глины
Рисунок 5 - Температурная зависимость изменения линейных размеров образцов, полученных при различном давлении прессования
3.5. Физико-механические свойства
Физико-механические свойства исследуемой глины в зависимости от приложенного давления прессования оценивали по величине прочности при изгибе. Исследование проводили на образцах, обожженных при температурах от 900 до 1400 °C. Результаты исследований представлены в табл. 3. В результате показано, что с повышением температуры обжига предел прочности при изгибе увеличивается, резкое уменьшение происходит при температуре 1350 °C. Максимальное значение предела прочности при изгибе достигается при давлении прессования и температуре обжига 150 МПа и 1300 °C соответственно.
Таблица 3 - Прочностные характеристики обожженной глины
Температура обжига, ℃ | Предел прочности при изгибе, МПа, при давлении прессования, МПа | ||
50 | 100 | 150 | |
900 | 1,7 ± 0,1 | 4,1 ± 0,3 | 4,3 ± 0,3 |
950 | 1,9 ± 0,2 | 3,6 ± 0,3 | 4,2 ± 0,3 |
1000 | 2,1 ± 0,2 | 3,8 ± 0,3 | 4,3 ± 0,3 |
1050 | 4,3 ± 0,3 | 8,8 ± 0,7 | 7,0 ± 0,6 |
1100 | 5,2 ± 0,4 | 9,6 ± 0,8 | 10,8 ± 0,9 |
1150 | 5,7 ± 0,5 | 9,6 ± 0,8 | 10,1 ± 0,8 |
1200 | 6,8 ± 0,5 | 8,4 ± 0,7 | 9,4 ± 0,8 |
1250 | 12,9 ± 1,0 | 16,4 ± 1,3 | 18,1 ± 1,5 |
1300 | 13,8 ± 1,1 | 18,5 ± 0,9 | 19,4 ± 1,6 |
1350 | 15,4 ± 1,2 | 16,0 ± 1,3 | 13,9 ± 1,1 |
1400 | 13,6 ± 1,1 | 16,6 ± 1,3 | 16,4 ± 1,3 |
3.6. Оптимизация технологических параметров для получения высокопористой керамики
На основании полученных данных были предложены следующие направления модификации состава и технологии обработки материала на основе исследуемой глины. Для регулирования пористости и снижения плотности при производстве высокопористой керамики рекомендуется вводить 20–30% выгорающих добавок, таких как древесные опилки или полистирольные микросферы; это даст возможность получать материал с повышенной проницаемостью, а также формировать мультимодальную поровую структуру. Исходя из химического и минерального состава глины Яметин, эффективным представляется использование комбинированного режима термообработки: предварительный нагрев до температуры 600 °C обеспечивает полное выгорание органических добавок, после чего проводится основной обжиг в интервале температур 1100–1150 °C. Кроме того, введение 5–7% флюсующих добавок способствует снижению температуры спекания и интенсификации процессов уплотнения структуры.
4. Заключение
В результате проведенных исследований установлено, что глина месторождения Яметин (Республика Союз Мьянма) характеризуется высоким содержанием SiO₂ (70,61 мас. %) и сравнительно высоким — Al₂O₃ (19,06 мас. %), с преобладанием каолинитовой фазы. Определены технологические параметры, которые обеспечивают достижение наилучших структурных характеристик при получении высокопористого керамического материала — давление прессования 150 МПа, температура обжига 1100–1150 °C. Показано, что образцы, обожженные при 1150 °C, обладают открытой пористостью 23–28% и прочностью на изгиб до 10,8 МПа. Предложены возможные направления модификации состава для получения высокопористой керамики с заданными свойствами.