аспирант
Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
Россия
ГРНТИ 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
В статье представлены результаты исследований влияния плазмохимического модифицирования на эстетические и эксплуатационные свойства композиционного стеклокристаллического материала. Разработаны оптимальные составы композиционных стеклокристаллических материалов на основе боя цветных тарных стёкол, боя фарфора и жидкого стекла. Показано, что композиционный стеклокристаллический материал обладал повышенными механическими свойствами и относительно невысокими эстетическими показателями. Установлено, что в процессе плазменной обработки лицевая поверхность подвергается огненной полировке с образованием высококачественного покрытия. При высокотемпературном воздействии струи поверхность стеклокристаллического материала разогревается до 2000 °С, в результате чего происходит обогащение лицевой поверхности оксидами кремния, алюминия и обеднение щелочными и щелочноземельными оксидами. Экспериментально подтверждено, что после плазмохимического модифици-рования повышаются коэффициент диффузионного отражения, водостойкость, кислотостойкость, щелочестойкость и термостойкость лицевой поверхности композиционного стеклокристаллического материала.
плазмохимическое модифицирование, композиционный стеклокристаллический материал, коэффициент диффузионного отражения, водостойкость, кислотостойкость, щелочестойкость, термостойкость
Введение. В настоящее время современное жилищное строительство предусматривает широкое использование различных облицовочных материалов, а также стекловидных, органоминеральных и органических защитно-декоративных покрытий. Это способствует существенному повышению архитектурно-художественной выразительности зданий и сооружений.
Отделочные работы в общем объёме затрат на строительные работы значительно удорожают стоимость 1 м2 жилья. Поэтому разработка высококачественных, недорогих облицовочных материалов позволили решить проблему снижения стоимости отделки зданий и сооружений.
Одним из путей снижения себестоимости стеклокристаллических облицовочных материалов является использование в качестве исходного сырья отходов промышленности и вторичных материалов. Предложено в качестве вторичных материалов использовать бой стеклотары, сбор и промышленная переработка которой в России до настоящего времени должным образом не налажена.
В связи с вступлением в силу технического регламента Таможенного союза в 2012 году на территории Российской Федерации, Казахстана и Беларуси запрещено вторичное использование тары. В этой связи необходимо создавать энергосберегающие технологии получения эффективных стеклокристаллических материалов с использованием боя тарных стёкол.
Стеклокремнезит и стеклокерамит являются традиционным облицовочным материалом, уступающим по своим декоративным и эксплуатационным свойствам глазурованной керамической плитке и керамограниту [1].
В настоящее время ведутся работы в области разработки облицовочных стеклокристаллических материалов. Так, разработана и апробирована технология получения облицовочного стеклокерамического композиционного материала [2]. Использование колеманита совместно со стеклобоем листовых и тарных стёкол позволило получить безусадочные стеклокристаллические материалы [3–5].
С целью повышения эстетико-потребительских свойств производят плазмохимическое модифицирование лицевой поверхности различных стеновых строительных материалов [6–9]. Плазмохимическое модифицирование не только улучшает качество лицевой поверхности за счёт огневой полировки, но и повышает эксплуатационные свойства [10]. Эффективные защитно-декоративные покрытия с использованием боя цветных тарных стёкол и жидкого стекла были получены при плазмохимическом модифицировании стеновых строительных материалов автоклавного твердения [11–15]. Бой цветных тарных стёкол вводили в состав защитно-декоративных покрытий на бетоне с использованием в качестве связующей основы глинозёмистого цемента [16].
Методология. На основе смеси боя тарных стёкол, боя отходов фарфорового производства и жидкого стекла разработаны эффективные составы, позволяющие получить стеклокристаллический облицовочный материал с повышенными механическими свойствами. Прочность на сжатие такого материала достигала 78 МПа. Однако лицевая поверхность обладала неравномерным блеском, имеющим участки с матовой поверхностью, иногда с бугристой фактурой.
С целью устранения данных дефектов лицевой поверхности стеклокристаллического материала использовали технологию плазмохимического модифицирования. Плазмохимическое модифицирование облицовочной стеклокристаллической плитки размером 50×50×10 мм проводили на специально смонтированном стенде, позволяющем проводить плазменное оплавление при фиксированных скоростях прохождения плазменной струи по лицевой поверхности.
Высокотемпературным источником служила электродуговая установка «Горыныч». Параметры работы плазматрона были следующие: ток – 8 А, напряжение – 150 В, температура плазменной струи – 6000 °С, скорость прохождения плазменной струи по поверхности стеклокристаллической плитки – 10–12 мм/с.
Основная часть. Химический состав тарных стёкол, используемых в качестве основы стеклокристаллического материала, представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав тарных цветных стёкол
|
Марка стекла |
Цвет |
Содержание оксидов, мас. % |
||||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
Na2O |
Fe2O3 |
Cr2O3 |
Co3O4 |
SO3 |
||
|
ЗТ-1 |
зеленый |
71,0 |
3,5 |
8,0 |
3,0 |
14,0 |
0,8 |
– |
– |
0,4 |
|
ЗТ-2 |
изумрудный |
69,0 |
3,8 |
8,5 |
2,5 |
14,0 |
0,5 |
0,2 |
– |
0,3 |
|
КТ |
коричневый |
71,4 |
3,3 |
8,0 |
3,0 |
14,0 |
1,5 |
– |
– |
0,3 |
|
– |
синий |
64,25 |
1,76 |
8,27 |
6,51 |
19,28 |
0,14 |
– |
0,062 |
0,12 |
С целью повышения прочностных характеристик в состав стеклокристаллического композита вводили бой фарфора. Натриевое жидкое стекло вводили в состав для снижения температуры спекания.
Разработанные составы масс представлены в табл. 2.
Таблица 2
Состав и свойства композиционных стеклокристаллических материалов
|
№ |
Наименование стеклавкомпозите |
Содержание компонентов,% |
Прочность на сжатие, МПа |
Водопоглощение,% |
Изменение размеров,% |
||
|
стеклобой |
бой фарфора |
жидкое стекло |
|||||
|
1 |
Зеленое ЗТ-1 |
85 |
5 |
10 |
67 |
0,28 |
-1,95 |
|
80 |
10 |
10 |
76 |
0,31 |
-1,85 |
||
|
2 |
Изумрудное |
85 |
5 |
10 |
69 |
0,21 |
-2,15 |
|
80 |
10 |
10 |
78 |
0,25 |
-2,01 |
||
|
3 |
Коричневое КТ |
85 |
5 |
10 |
64 |
0,32 |
-1,91 |
|
80 |
10 |
10 |
75 |
0,37 |
-1,79 |
||
|
4 |
Синее тарное |
85 |
5 |
10 |
54 |
0,36 |
-1,89 |
|
80 |
10 |
10 |
74 |
0,43 |
-1,69 |
||
После плазмохимического модифицирования композитов зелёного, изумрудного, коричневого, синего цветов исследовали эстетические и эксплуатационные свойства огненно-полированной поверхности составов с содержанием 80 % стеклобоя, 10 % боя фарфора и 10 % жидкого стекла.
В число основных эксплуатационных свойств композиционных стеклокристаллических материалов входит термостойкость. Термостойкость композита до и после плазмохимического модифицирования представлена в табл. 3.
При плазмохимическом модифицировании происходит микрозакаливание огненно-полированной поверхности.
Таблица 3
Термостойкость композиционного
стеклокристаллического материала
|
№ |
Наименование стекла в композите |
Термостойкость (Т), °С |
|
|
До плазменной обработки |
После плазменной обработки |
||
|
1 |
Зеленое ЗТ-1 |
96 |
112 |
|
2 |
Изумрудное ЗТ-2 |
92 |
106 |
|
3 |
Коричневое КТ |
94 |
108 |
|
4 |
Синее тарное |
96 |
110 |
Одним из показателей качества лицевой поверхности является коэффициент диффузорного отражения (КДО, %). В таблице 4 представлены значения КДО композиционных стеклокристаллических материалов до и после плазмохимического модифицирования.
После плазменного оплавления КДО огненно-полированной поверхности значительно повысился (таблица 4).
При прохождении плазменной струи по лицевой поверхности композиционного стеклокристаллического материала со скоростью 10 мм/с лицевая поверхность разогревалась до температуры 2000 °С. За счёт высоких температур плазменной струи происходило испарение с лицевой поверхности щелочных и щелочноземельных оксидов. Поверхность прогревалась в среднем до 2000–2500 мкм и обогащалась оксидами кремния, аллюминия. Это приводило к повышению химической устойчивости, в частности, водостойкости, кислотостойкости и щелочеустойчивости лицевой поверхности (табл. 5).
Таблица 4
КДО до и после плазмохимического модифицирования
|
№ |
Наименования стекла в композите |
КДО, % |
|
|
До плазменной обработки |
После плазменной обработки |
||
|
1 |
Зеленое ЗТ-1 |
62 |
72 |
|
2 |
Изумрудное ЗТ-2 |
64 |
76 |
|
3 |
Коричневое КТ |
58 |
69 |
|
4 |
Синее тарное |
56 |
67 |
Таблица 5
Химическая устойчивость огненно-полированной поверхности
стеклокристаллического композиционного материала
|
№ |
Наименование стекла в композите |
Водостойкость |
Кислотостойкость, 1Н HCl |
Щелочестойкость, 1H NaOH |
|||||
|
0,01HHCl, см3 |
Гидролитический класс |
||||||||
|
обработка |
обработка |
обработка |
обработка |
||||||
|
до |
после |
до |
после |
до |
после |
до |
после |
||
|
1 |
Зеленое ЗТ-1 |
3,62 |
2,44 |
IV |
III |
97,4 |
98,3 |
93,8 |
94,9 |
|
2 |
Изумрудное ЗТ-2 |
3,84 |
2,71 |
IV |
III |
96,3 |
97,1 |
92,8 |
94,2 |
|
3 |
Коричневое КТ |
3,68 |
2,55 |
IV |
III |
97,1 |
98,1 |
93,3 |
94,8 |
|
4 |
Синее тарное |
3,72 |
2,69 |
IV |
III |
96,9 |
97,8 |
94,1 |
95,1 |
Как видно из табл. 5, после плазмохимического модифицирования химическая устойчивость огненно-полированной лицевой поверхности композиционных стеклокристаллических материалов возросла.
Выводы. Исследовано влияние плазмохимического модифицирования на повышение эстетических и эксплуатационных показателей защитно-декоративных покрытий.
Установлено, что под действием высоких температур плазменной струи происходит огненная полировка лицевой поверхности стеклокристаллического композиционного материала.
Показано, что огненно-полированная поверхность стеклокристаллических материалов обладает повышенными значениями коэффициента диффузионного отражения, водостойкости, кислотостойкости, щелочестойкости и термостойкости.
Источник финансирования. Грант Президента РФ № НШ-2724.2018.8.
1. Будов В.М., Саркисов П.Д. Производство строительного и технического стекла. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1991. 319 с.
2. Дорохова Е.С., Изотова И.А., Жерновой Ф.Е., Бессмертный В.С., Жерновая Н.Ф. Разработка и опытная апробация технологии облицовочного стеклокерамического композита // Вестник Белгородского государственного тех-нологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 1. С. 138-143.
3. Жерновая Н.Ф., Дороганов Е.А., Бес-смертный В.С., Дорохова Е.С., Жерновой Ф.Е., Здоренко Н.М., Изотова И.А. Стеклокерамический композит с мультифункциональной колеманитовой добавкой // Перспективные материалы. 2016. № 5. С. 51-58.
4. Dorokhova E.S., Zhernovoi F.E., Izotova I.A., Bessmertnyi V.S., Zhernovaya N.F., Tarasova E.E. Shrink-free face material based on cullet and colemanite // Glass and Ceramics. 2016. Vol. 73. Issue 3. P. 103-106. DOI:https://doi.org/10.1007/s10717-016-9835-6.
5. Dorokhova E.S., Zhernovaya N.F., Bessmertnyi V.S., Zhernovoi F.E., Tarasova E.E. Control of the structure of porous glass-ceramic material // Glass and Ceramics. 2017. Vol. 74. Issue 3-4. P. 95-98. DOI:https://doi.org/10.1007/s10717-017-9936-x.
6. Бессмертный В.С., Бондаренко Н.И., Борисов И.Н., Бондаренко Д.О. Получение защитно-декоративных покрытий на стеновых строительных материалах методом плазменного оплавления. Белгород: Изд. БГТУ, 2014. 104 с.
7. Бессмертный В.С., Борисов И.Н., Ильина И.А., Бондаренко Н.И., Бондаренко Д.О. Плазмохимическая модификация строительных материалов // Наукоемкие технологии и инновации (XXI научные чтения): сб. трудов Междунар. науч.-практ. конф. Белгород: БГТУ, 2014. С. 41-45.
8. Бессмертный В.С., Зубенко С.Н., Дюмина П.С., Здоренко Н.М., Волошко Н.И. Плазменно-оплавленные защитно-декоративные покрытия на бетоне на основе алюминатных цементов и боя цветных стекол // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 9. С. 104.
9. Пучка О.В., Бессмертный В.С., Сергеев С.В., Вайсера С.С. Плазмохимические методы получения покрытий на поверхности пеностекла // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 3. С. 147-150.
10. Бессмертный В.С., Минько Н.И., Бондаренко Н.И., Лесовик В.С., Яхья Мохаммед Яхья, Бондаренко Д.О., Табит Салим Аль-Азаб Исследование влияния плазменной обработки стеновых строительных материалов на потребитель-ские свойства защитно-декоративных покрытий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 4. С. 59-62.
11. Бессмертный В.С., Здоренко Н.М., Симачёв А.В. Некоторые аспекты повышения качества строительной керамики путем подбора комплексных органоминеральных добавок // Успехи современного естествознания. 2013. № 5. С. 109.
12. Бессмертный В.С., Ильина И.А., Соколова О.Н. Получение защитно-декоративных покрытий на стеновых строительных материалах автоклавного твердения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 155-157.
13. Ильина И.А., Минько Н.И., Борисов И.Н., Бондаренко Д.О., Скрипченко П.В. Ло-кальная термическая обработка стеновых строительных материалов автоклавного твердения // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 3. С. 165.
14. Бессмертный В.С., Ильина И.А., Зубенко С.Н., Соколова О.Н., Здоренко Н.М., Волошко Н.И. Плазмохимическое модифицирование стеновых строительных материалов автоклавного твердения // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 9. С. 119.
15. Бессмертный В.С., Ляшко А.А., Пана-сенко В.А., Долуденко А.А., Антропова И.А., Ильина И.А. Плазменная обработка автоклав-ных материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 12. С. 81-82.
16. Бондаренко Н.И., Бессмертный В.С., Борисов И.Н., Тимошенко Т.И., Буршина Н.А. Бетоны с защитно-декоративными покрытиями на основе алюминатных цементов, оплавленные плазменной струёй // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 2. С. 181-185.
