Микроармирующий наполнитель волластонит

Для природного волластонита характерна игольчатая структура кристаллов, при раскалывании которых образуются зерна игольчатой формы. �гольчатая форма зерна волластонита определяет основное направление его использования в качестве микроармирующего наполнителя. Волластонит является единственным чисто белым наполнителем, имеющим игольчатую форму, с отношением длины волокна к его диаметру в зависимости от марки (L/D) от 3:1 до 20:1. �гольчатость является определяющим свойством для упрочнения покровных пленок ЛКМ и для повышения их долговечности и износостойкости. Но в некоторых отраслях промышленности имеет значение и химический состав волластонита. В связи с ухудшающейся в мире экологиче-ской обстановкой необходимо также заметить, что волластонит является заменителем таких веществ, как асбест и волокнистый тальк. Волластонит обладает достаточно большой укрывистостью, что дает возможность частичной замены диоксида титана в различных отраслях промышленности, прежде всего в лакокрасочной отрасли. Состав, свойства и форма частиц волластонита позволяют рекомендовать следующие области его применения: керамика, фарфор, огнеупорные и кислотостойкие материалы, асбоцементные изделия (шифер и т. д.), металлургия, обмазка для сварочных электродов, специальная радиокерамика, изоляторы с низкими диэлектрическими потерями, сантехизделия, резинотехнические изделия, производство композиционных полимеров и лакокрасочных материалов. Проведенные зарубежные и отечественные исследования определили его преимущества и достоинства по сравнению с другими традиционными материалами, применяемыми в керамических смесях, глазурях, ангобах и т. д. Температура плавления чистого волластонита — 1 540 оС, то есть она находится в пределах обычных температур плавления керамических материалов. �мея игольчатую структуру, волластонит выступает микроармирующим элементом в керамических смесях. ПР�МЕНЕН�Е ВОЛЛАСТОН�ТА ПР� ПРО�ЗВОДСТВЕ КЕРАМ�ЧЕСКОЙ ПЛ�ТК� �звестно, что производство облицовочной плитки часто осложняется явлением разномерности, которое возникает вследствие неодинаковой и значительной усадки изделий при сушке и последующем обжиге. Потребление волластонита при производстве керамической плитки резко возросло с внедрением процессов ускоренного обжига, т. к. его использование уменьшает потребление энергии и увеличивает производительность. На Западе большая часть потребляемого волластонита используется при производстве стеновых и половых плиток и стекла, а также в сантехизделиях, специзделиях и глиняной керамике чаще всего с целью предотвращения трещин, усадки и других дефектов. С внедрением в производство автоматизированных линий скоростного (45—70 мин.) низкотемпературного обжига (950—105 оС) традиционные составы плиточных масс на основе глинистых компонентов и плавней даже при введении до 15% масс непластичного сырья (мел, мрамор, тальк, кварц и др.) не обеспечивают современного уровня свойств плитки. Основными и существенными недостатками плиток из масс, содержащих 50—70% глины, являются большая усадка и, как следствие, большая деформация, невысокая прочность, морозостойкость (для фасадной плитки), термостойкость (для плиток внутренней облицовки), высокое термовлажностное расширение, что все вместе предопределяет недолговечность эксплуатации. Основополагающей причиной перечисленных фактов является незавершенность физико-химических процессов в продуктах термического разложения глин при низкотемпературном скоростном обжиге. �спользование волластонита позволяет изменять назначение глины в плиточных массах, оставив ей роль связки, обеспечивающей прочность плитки при движении по конвейеру и в рольганговой печи. Температурный коэффициент линейного расширения в интервале температур 25—65 оС: — вдоль волокна 6,23*10-6 К-1(b волластонит); — перпендикулярно волокнам 7,77*10-6 К-1 (b волластонит), 11,8*10-6 K-1 (a волластонит). Термодинамические константы волластонита: — Ho 298 = —1 635,23 кДж/моль; — So 298 = 80,75 Дж/(моль*КO). Уравнение температурной зависимости теплоемкости волластонита в интервале 298—1450 Ко: Cp=111,46+1,50*10-2 T-2,73*10-6 T-2Дж/(моль* Ко). Применение рецептур с волластонитом в стекольном производстве позволяет увеличивать блеск стекла за счет сведения к минимуму образования пузырьков при обжиге стекла. Кроме того, добавки волластонита увеличивают прочность стекла, являясь при этом заменителями извести и окиси кремния. �спользование волластонита в качестве доминирующего компонента плиточных масс позволяет частично или полностью заменить датолитовый концентрат, нефелин-сиенит в традиционных рецептурах керамических плит. �спользование волластонита позволяет резко улучшить свойства плиток: уменьшить усадку вплоть до нулевых значений, в 1,5 раза уменьшить водопоглощение, значительно увеличить термостойкость, в 2,5 раза увеличить прочность на изгиб, в 2 раза увеличить морозостойкость, значительно улучшить розлив глазури и увеличить прочность сцепления глазурного покрытия с черепком. Одноразмерность плиток может быть достигнута при введении ¤20% волластонита в керамическую массу. При этом усадка снижается в 2 раза, резко уменьшается их деформируемость и повышается механическая прочность, даже если обжиг проводится на отечественных конвейерных линиях. Кроме того, введение волластонита в керамическую массу позволяет снизить температуру обжига изделий (экономия на топливе) и обеспечивает уменьшение чувствительности к термовлажностному расширению. ПР�МЕНЕН�Е ВОЛЛАСТОН�ТА В АСБОЦЕМЕНТНОЙ � СТРО�ТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТ� �гольчатая форма зерен волластонита предопределяет его использование в качестве микроармирующего элемента цементов. Результаты сравнительного изучения влияния минеральных добавок на физико-механическую прочность портландцемента показали, что цемент с добавкой 10—30% волластонита, в отличие от цемента, содержащего 6—10% инертных материалов (трепел, опок, диатомит), является безусадочным, воздухо- и атмосферо-морозостойким, нормально твердеющим при гидротермальной обработке. Волластонит, в отличие от других добавок в цементе, не является дополнительным источником образования коллоидного гидросиликата. Цементно-волластонитовые вяжущие можно использовать для изготовления коррозионно-стойких и экономичных бетонов с повышенным пределом прочности при изгибе. Возрастают объемы использования волластонита как заменителя коротковолокнистого асбеста в целях упрочнения и придания огнезащитных свойств в стеновых панелях, фрикционных изделиях, в конструкционных и изоляционных панелях. �спользование волластонита целесообразно при изготовлении изоляционных плит из силиката кальция, которые выдерживают температуру до 1 400 оС и применяются для футеровки изложниц для приема жидкого алюминия и других металлов. Эти плиты используются также для изготовления негорючих дверных конструкций, облицовочных стеновых и печных плит, требующих теплоизоляции. Значительное количество волластонита используется как укрепляющий материал в высокотемпературных изделиях вместо стеклянных волокон. �звестно, что метасиликатные композиции с волластонитом хорошо совмещаются с составом плит из силиката кальция, а термическая стойкость волластонита помогает усилить прочность панелей в условиях эксплуатации при высокой температуре. Волластонит с успехом можно применять в асбестоцементной промышленности при производстве шифера, асбоцементных труб в целях повышения прочности этих изделий на поперечный разрыв (в 2—3 раза) за счет использования его микроармирующих свойств. При этом, чем выше глубина помола волластонита, тем выше коэффициент упрочнения изделия. В асбестоцементной промышленности вол-ластонит можно было бы с успехом применять для изготовления предметов строительной фурнитуры, например строительного гонта и канализационных труб. Прочность этих изделий на поперечный разрыв можно повысить в 2—3 раза, если к портландцементу добавить значительное количество асбеста и затем подвергнуть смесь специальной обработке. До 25% ныне применяемых асбестоволокнистых упрочнителей можно заменить волластонитом, стоимость которого ниже стоимости этих материалов. При этом, чем мельче помол минерала, тем меньшее его количество требуется для достижения повышенной прочности. Так, например, будет достигнуто одинаковое повышение прочности, если к портландцементу добавить волластонит в количестве 25% при размере зерен 325 мкм; 16% — при размере зерен 10 мкм, 10% — при размере зерен 1 мкм. Основным фактором является химическая активность волластонита, а она растет по мере увеличения площади поверхности, которая, в свою очередь, возрастает при уменьшении размера частиц. Разработан способ изготовления термостойкого волокнистого листового материала из сырьевой композиции, в состав которой входят (в вес. %): волокнистый волластонит — 50—88, асбест — 10—48, органическое или неорганическое вяжущее (портландцемент, глиноземистый цемент, глина, бентонит, силикагель, крахмал, ПВС, латексы и др.) — 2—10. Листовой материал изготавливается из водного шлама сырьевой композиции на бумагоделательных машинах, толщина листов — 6 мм. Данный листовой материал может применяться при температуре выше 1 000 оС. �звестен и способ изготовления автоклавных панелей на основе силиката кальция, отличающихся повышенной тепло- и огнестойкостью, механической прочностью и технологичностью. Отмечается, что эти свойства плит достигаются без использования асбеста. Данный способ включает приготовление шлама, содержащего смесь 20—50% (от общей массы компонентов в расчете на твердое вещество) материала на основе кремнекислоты (кварцевый песок, диатомовая земля, ферросилициевая пыль и т. п.), 20—50% известкового компонента (гашеная или негашеная известь, карбидные остатки, цемент и т. п.), 10—40% волокнистого волластонита, 2—10% волокнистой массы (древесная, из отходов бумаги или льна, крафт-целлюлоза и т. п.), 1—30% (предпочтительнее 5—25) кристаллического силиката кальция, синтезируемого гидротермальным способом, и воды. Плиты с 25% волластонита (50% волокон длиной около 22 мкм) имеют высокую прочность на изгиб (150—230 кг/кв. см), отличаются хорошей гвоздимостью и легко разрезаются. Даже небольшая добавка волластонита может значительно увеличить прочность кирпича, как силикатного, так и керамического, однако стоимость волластонита составляет от 13 тыс. до 20 тыс. руб./т, что сдерживает использование этого сырья в кирпичной промышленности. Волластонит является перспективным строительным материалом. Теплоизолирующие свойства волластонита толщиной 5 см равноценны таковым у кирпичной кладки толщиной 50 см. ПР�МЕНЕН�Е ВОЛЛАСТОН�ТА ПР� ПРО�ЗВОДСТВЕ ЛКМ � СУХ�Х СТРО�ТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ Микроармирующие свойства волластонита и высокая адгезия его к поверхностям обеспечивают повышенные показатели ЛКМ по прочности пленочного покрытия и величине прочности сцепления с окрашиваемой поверхностью. Волластонит обладает хорошими матирующими свойствами, невысокой маслоемкостью (20 — 25мл/100 г), что позволяет сократить расход связующих компонентов в красках, снизить расход пигментной TiO2 в красках и увеличить объемную концентрацию пигмента в краске, т. к. его коэффициент преломления составляет п = 1,63—1,64 (как у «Прокаля»). Волластонит, обладая более высокой твердостью, чем у талька, мела и слюды, обеспечивает возможность получения твердых пленок ЛКМ. �глообразная форма частиц волластонита придает краске способность распределяться равномерно по поверхности, структурируя ее еще в процессе окрашивания. Высокая износостойкость волластонита незаменима в композициях специальных красок для разметки дорог. Кристаллы волластонита, имеющие игольчатую форму с плоскостями шероховатой формы, образуют вокруг себя некие ассоциаты («домены») из окружающих материалов, составляющих матрицу основного состава ЛКМ, сухой смеси или пластмассы, снижая степень их подвижности друг относительно друга, тем самым резко уменьшая возможные процессы усадки, например, при сушке и эксплуатации этих материалов. Поэтому, например, применение волластонита в составах, используемых для огнезащиты конструкций и кабелей, позволяет избежать отслаивания этих покрытий при высоких температурах из-за резкого снижения степени их усадки и растрескивания. Это новый, но очень перспективный и многообещающий, по нашему мнению, материал для использования в лакокрасочных материалах различного назначения. Микроармирующие свойства волластонита, обеспечивающие безусадочность изготавливаемых с его применением материалов, могут оказаться особенно востребованными при производстве сухих строительных смесей различного назначения, при высыхании которых проблема разноусадочности стоит особенно остро. Наш опыт показывает целесообразность и необходимость добавления волластонита в подобные материалы.