Способ изготовления декоративно-облицовочных изделий

 

Изобретение относится к изготовлению облицовочно-декоративных строительных изделий, преимущественно для наружной и внутренней облицовки зданий. Способ изготовления декоративно-облицовочных изделий заключается в том, что в печи подвергают термообработке заготовку, содержащую внешний слой из стеклогранулята и оксидов металлов и внутренний слой, состоящий из, %: песок до 25; шлак до 40; оксид алюминия 5-7; связующее 2-8 и стеклогранулят. Внешний слой наносят непосредственно на поверхность внутреннего слоя, предварительно увлажненную жидким стеклом. Термообработка заготовки включает нагрев до температуры выше или равной температуре Литлтона стеклогранулята внешнего слоя, выдержка при этой температуре и двухэтапное охлаждение с выдержкой при постоянной температуре между этапами. На первом этапе охлаждение производят со скоростью 10-30^o/мин до верхней температуры отжига. Минимизация газоотделения достигается введением в состав внутреннего слоя жидкого связующего и прессованием слоев. Заготовку термообрабатывают в форме или без формы, предварительно формуя ее в разборной форме. В материал внутреннего слоя вводят до 40% легковозгораемого вещества, например, опилок, температура возгорания которого не более 2/3 максимальной температуры термообработки. При этом изделие имеет высокую пористость внутреннего слоя и низкий коэффициент теплопроводности. Цилиндрические изделия изготавливают во вращающейся цилиндрической форме. Во внешний слой заготовки вводят декоративные элементы с таким же, как у стекла, коэффициентом температурного расширения. Изделия можно укреплять непосредственно на поверхности строительных деталей путем совместной термообработки. 13 з.п.ф-лы.

Данное изобретение относится к изготовлению декоративно-облицовочных строительных изделий, предназначенных, главным образом, для наружной и внутренней отделки зданий.

В строительной практике для этой цели традиционно используются природные строительные материалы (мрамор, гранит и т.п.), а также разного рода керамики. Применение последних во многих случаях оказывается целесообразным, поскольку керамические изделия дешевле, проще в монтаже, обладают более высокими теплоизоляционными свойствами по сравнению с природными материалами.

Известны способы изготовления декоративно-облицовочных изделий, включающие изготовление заготовки, состоящей из внутреннего конструктивного и внешнего декоративного слоев. Термообработка заготовки заключается в одновременном нагреве слоев до 160-300^oС и последующем нагреве до температуры плавления стеклофазы. Недостатком подобных способов является интенсивное выделение газовых пузырьков в процессе термообработки, что объясняется наличием глинистых включений в конструктивном слое. Газовые пузырьки проникают во внешний слой и ухудшают декоративные качества изделия и его эксплуатационные характеристики. Кроме того, ввиду отсутствия выдержки при температуре отжига в изделии не снимаются внутренние напряжения, возникающие при охлаждении стекла, а это может привести к растрескиванию изделий. Значительную сложность представляет процесс горячего формования с использованием углекислого газа.

Известны также способы изготовления декоративно-облицовочных изделий, включающие термообработку в печи заготовки, которая состоит из внутреннего слоя кварцевого песка, внешнего слоя из цветного стеклогранулята и промежуточного слоя, состоящего из фосфористого шлака, порошка стекла и жидкого стекла [1] Этот способ не предусматривает уплотнение (прессование) промежуточного и внешнего слоев, в связи с чем изделия имеют незначительную плотность, высокую пористость и, как следствие, отличаются высоким водопоглощением (более 10%), а это исключает их использование в качестве внешней отделки зданий.

Перечисленные выше недостатки частично устранены в способе изготовления декоративно-облицовочных изделий, описанном в патенте [2] Этот способ как наиболее близкой к изобретению по технической сущности и совокупности существенных признаков выбран в качестве прототипа. Способ включает термообработку в печи заготовки, содержащей внутренней, включающий песок, и внешний, включающий стеклогранулят, равномерно по толщине уплотненные слои путем разогрева до максимальной температуры (Т_мах), выдержки при этой температуре и двухэтажного охлаждения с выдержкой при постоянной температуре между этапами. В способе может употребляться стеклогранулят только определенного состава, приведенного в патенте. Это обстоятельство обуславливает необходимость варки специального стекла, исключает использование различных распространенных сортов стекла в рамках данной технологии, что значительно удорожает стоимость изделий. Применение чисто песчаного внутреннего слоя заготовки не позволяет получать изделия с ровной обратной поверхности, что важно для ряда областей применения. Отсутствие связующего в промежуточном слое приводит к интенсивному газовыделению в процессе термообработки, что, как указывалось, может привести к ухудшению декоративных качеств изделия. Во избежание этого приходится пролонгировать процесс выдержки при Т_мах до полного выхода газовой фазы, что связано со значительным увеличением энергопотребления и стоимости изделий.

Целью изобретения является уменьшение стоимости декоративно-облицовочных изделий путем снижения энергопотребления в процессе изготовления, а также благодаря использованию разнообразного дешевого сырья при обеспечении высоких теплоизоляционных, декоративных и других важнейших характеристик.

Это достигается тем, что внутренний слой дополнительно включает стеклогранулят, оксид алюминия, шлак, и связующее в виде жидкого или кристаллического стекла при следующем содержании компонентов, мас. песок не более 25; шлак не более 40; оксид алюминия 5-7; связующее 2-3; стеклогранулят остальное. Поверхность внутреннего слоя увлажняют жидким стеклом и непосредственно на нее наносят внешний слой, максимальную температуру при термообработке выбирают в диапазоне: температура Литлтона стеклогранулята внешнего слоя плюс 30-80^oС, при максимальной температуре поддерживают перепад температуры по толщине слоев не более Т_мах/10, на нижней поверхности внутреннего слоя устанавливают температуру Литлтона стеклогранулята этого слоя, а на первом этапе охлаждение производят со скоростью 10-30^oС/мин до верхней температуры отжига стеклогранулята, внешний слой дополнительно включает оксиды Li, Na, K или Мg, Ca, Ba заготовку размещают в теплостойкой форме, изготовленной из материала с коэффициентом температурного расширения не большим, чем у стеклогранулята заготовки, на внешний слой дополнительно наносят облицовочный слой прозрачного стекла с толщиной не менее суммарной толщины остальных слоев, а торцевые поверхности заготовки после термообработки полируют, внутренний слой дополнительно содержит не более 40 мас. легковозгораемого вещества с температурой воспламенения не более 2/3 Тмах, такого же гранулометрического состава, как остальные компоненты смеси. При достижении в процессе разогрева температуры воспламенения производят выдержку при этой температуре до полного удаления из слоя газообразных продуктов горения, затем наносят внешний слой заготовки. В процессе выдержки при максимальной температуре на поверхности внешнего слоя поддерживают температуру Литлтона стеклогранулята этого слоя, а время выдержки выбирают из условия оплавления гранул до полного закрытия пор и отверстий на поверхности внешнего слоя, после первого этапа охлаждения поверхность внешнего слоя закаливают путем обдува водяным туманом или воздухом, а начальная температура закалки выбирается на 50-100^oС выше температуры трансформации стеклогранулята внешнего слоя. Во внутренний слой заготовки укладывают слоями стеклоткань. Расстояние между слоями стеклоткани равно размеру ее ячеек, форма выполнена цилиндрической и снабжена торцевыми крышками. Форму размещают в печи горизонтально и приводят во вращение со скоростью, обеспечивающей равномерное распределение по внутренней поверхности компонентов заготовки. Производят засыпку внешнего слоя заготовки, нагревают его до температуры Литлтона и после равномерного растекания по внутренней поверхности форму охлаждают и засыпают компоненты внутреннего слоя. Заготовку помещают непосредственно на строительную деталь, а термообработку производят совместно с последней. Заготовку изготавливают путем засыпки в разборную форму материала внутреннего слоя, во внешний слой перед засыпкой вводят 10-12 об. связующего, после уплотнения заготовку сушат, а перед помещением в печь извлекают из формы. Во внешний слой заготовки перед термообработкой вводят декоративные элементы из материалов с коэффициентом температурного расширения таким же, как у стеклогранулята этого слоя. В процессе уплотнения поверхности заготовки придают криволинейную форму, при этом радиус кривизны поверхности выбирают из условия превышения сил вязкостного трения над скатывающей в процессе выдержки при максимальной температуре. В процессе термообработки на режимах разогрева, выдержки при Т_мах и на первом этапе охлаждения заготовку выдерживают при вакууме 10-100 мм рт.ст.

Сущность способа поясняется приведенными ниже примерами его осуществления.

Пример 1. Теплостойкая форма из кордеирита или другого подобного материала обрабатывается внутри жидкой суспензией каолина и просушивается до получения на дне и боковых стенках гладкого белого слоя каолина. После этого в форму засыпается слой смеси из песка, шлака и стеклогранулята, в которую добавлено связующее,например, жидкое стекло, а также 5-7 мас. оксида алюминия. Оксид алюминия служит для уменьшения вязкости стекла во время термообработки при температурах 800-1000^oС. Смесь тщательно перемешивается, разравнивается и уплотняется. Толщина полученного таким образом внутреннего слоя не должна быть менее двух максимальных диаметров фракций песка, шлака или стеклогранулята. На внутренний слой засыпается цветной стеклогранулят внешнего слоя, который также разравнивается и уплотняется. После этого форма с заготовкой поступает в печь на термообработку, которая заключается в разогреве заготовки до достижения на всей поверхности заготовки температуры в диапазоне: температура Литлтона стеклогранулята внешнего слоя плюс 30-80^oС. Выдержка при этой температуре назначается для того, чтобы стекло на поверхности внешнего слоя плавилось и растекалось под действием собственного веса. Чем больше выдержка, тем более гладкой будет поверхность изделия. На режиме Тмах перепад температур по толщине заготовки не должен быть более Т_мах/10, так как в противном случае температура обратной поверхности заготовки оказывается недостаточной для прочного спекания компонентов, что приводит к уменьшению прочности изделия. Обеспечить высокую прочность можно только путем поддержания на режиме Т_мах температуры Литлтона на обратной стороне заготовки.

В процессе термообработки в объеме подплавленного стеклогранулята возникают газовые пузырьки, которые стремятся выйти на поверхность. Подъемная сила пузырьков зависит от их размера и температурного градиента. В данном способе размеры пузырьков сводятся к минимуму путем прессования исходной шихты, пропитанной связующим (жидким стеклом), которое заполняет при прессовании поры между гранулами. Приведенная выше величина температурного перепада выбрана в процессе многочисленных экспериментов таким образом, чтобы подъемная сила газовых пузырьков была меньше сил вязкостного трения, что исключает возможность всплытия пузырьков на поверхность заготовки.

После выдержки при Т_мах температура поверхности заготовки резко, со скоростью 10-30^oС/мин снижается на 50-150^oС до температуры начала процесс отжига стеклогранулята.

После первого этапа охлаждения поверхность внешнего слоя может быть подвергнута закалке путем обдува водяным туманом или воздухом. При этом, как показали эксперименты, начальную температуру закалки следует выбирать на 50-100^oС выше температуры трансформации стеклогранулята внешнего слоя.

Перед отжигом производится выдержка заготовки при постоянной температуре с целью выравнивания температуры по объему заготовки. Снижение температуры в области температуры трансформации осуществляется со скоростью не более 3^oС /мин при линейной зависимости температуры от времени. Выемка изделия осуществляется при комнатной температуре, после чего производится обрезка кромок изделия. В связи с тем, что каолин при температурах термообработки не подвержен спеканию с материалом заготовки и материалом формы, выемка изделия не представляет трудностей.

Пример 2. Форма заполняется исходными компонентами также, как в примере 1, с той разницей, что во внутренний слой добавлена фракция легковозгораемого вещества, производят выдержку, достаточную по времени до полного удаления из внутреннего слоя газообразных продуктов горения. После этого на внутренний наносят внешний слой и производят такую же термообработку, как в примере 1. Эксперименты показали, что легковозгораемое вещество должно быть такого же гранулометрического состава как и остальные компоненты смеси,а его количество не должно превышать 40 об. Использование легковозгораемого вещества позволяет получить внутренний слой с пористой структурой и весьма низким коэффициентом теплопроводности. Пористая структура изделия фиксируется в процессе термообработки, а изделие приобретает высокие теплоизоляционные свойства.

Пример 3. Изделия цилиндрической формы изготавливаются в цилиндрической форме, снабженной торцевыми крышками. Форму размещают в печи горизонтально и приводят во вращение. Скорость вращения должна быть достаточной для обеспечения равномерного распределения по внутренней поверхности компонентов заготовки, т. е. она должна находится в пределах 50-70 об/мин. После ввода в форму компонентов внешнего слоя производят разогрев этих компонентов до температуры Литлтона. Компоненты плавятся и равномерно распределяются по внутренней поверхности формы. Слой засыпанного стеклогранулята должен иметь толщину 2-3 мм. Затем форму охлаждают на 150-300^oС, засыпают в форму компоненты внутреннего слоя и производят термообработку в соответствии с примером 1.

Форма для реализации данного способа должна иметь коэффициент температурного расширения не больший, чем у стеклогранулята заготовки. В противном случае возникающие при охлаждении усилия сжатия со стороны формы могут разрушить заготовку.

Пример 4. Декоративные качества строительных деталей можно значительно улучшить путем нанесения описанной выше заготовки непосредственно на строительную деталь и совместной термообработки этих элементов. При этом диаметр фракций внутреннего слоя не должен превышать 0,2 мм, что обеспечивает проникновение шихты в поры на поверхности детали и хорошее сцепление элементов.

Пример 5. Разборная, например металлическая, форма покрывается изнутри суспензией каолина и просушивается до получения на дне и боковых стенках гладкого белого слоя каолина. В форму засыпаются компоненты внутреннего слоя с добавленным связующим, смесь перемешивается и уплотняется. Толщина внутреннего слоя должна быть не меньше, чем два максимальных диаметра фракций. Затем в форму засыпается стеклогранулят внешнего слоя, смоченный 10-12 об. связующего (жидкого стекла). После разравнивания и уплотнения внешнего слоя заготовки сушится при 300^oС примерно в течение 1 ч. После этого заготовка извлекается из формы и термообрабатывается в соответствии с примером 1.

Пример 6. В состав стеклогранулята внешнего слоя для увеличения коэффициента температурного расширения добавляют оксиды Li, Na, K, а для уменьшения этого коэффициента оксиды Мg, Ca, Ba. Таким образом достигается равенство коэффициентов температурного расширения внешнего и внутреннего слоев изделия при различном составе стеклогранулята внешнего слоя. Благодаря этому сводятся к минимуму остаточные напряжения в изделиях, увеличивается их прочность.

Пример 7. Если на внешний слой нанести дополнительный облицовочный слой прозрачного стекла, а после термообработки торцевые поверхности заготовки отполировать, то из таких плиток можно выкладывать светящиеся декоративные панно при условии боковой подсветки. Толщина облицовочного слоя должна быть не менее суммарной толщины остальных слоев.

Пример 8. В процессе выдержки при максимальной температуре на поверхности заготовки поддерживается температура Литлтона стеклогранулята внешнего слоя. Время выдержки должно быть достаточно, чтобы гранулы внешнего слоя оплавились до полного закрытия расплавом пор и отверстий на поверхности внешнего слоя. При этом поверхность приобретает шероховатую структуру с округлыми выступами, размер которых определяется размером гранул стеклогранулята. Форма поверхности фиксируется в процессе охлаждения.

Пример 9. В процессе образования заготовки во внутренний слой укладывают слоями стеклоткань, а расстояние между слоями стеклоткани выбирают равным размеру ее ячеек. При этом Структурное строение внутреннего слоя приближается к кубическому, что обеспечивает максимальную прочность внутреннего слоя и изделия в целом.

Пример 10. Во внешний слой заготовки перед термообработкой вводят декоративные элементы из материалов с коэффициентом температурного расширения таким же, как у стеклогранулята этого слоя. Используя это средство, можно создавать изделия с разнообразными узорами на поверхности.

Пример 11. В процессе уплотнения заготовки ее поверхности можно придавать разнообразную криволинейную форму, что существенно расширяет разнообразие форм изделий, возможности их использования. При этом радиус кривизны поверхности выбирают из условия превышения сил вязкостного трения над скатывающей силой в процессе выдержки при максимальной температуре. Под скатывающей силой понимается составляющая силы тяжести, стремящаяся выровнять поверхность. Указанное условие позволяет стабилизировать форму поверхности, полученную в результате прессования.

Пример 12. В процессе термообработки на режиме разогрева. выдержке при максимальной температуре и на первом этапе охлаждения заготовку выдерживают при вакууме 10-100 мм рт.ст. Это позволяет эффективно удалить из заготовки газы, выделяющиеся в процессе термообработки. В этом случае на поверхности стеклогранулята внешнего слоя следует поддерживать максимальную из указанного в примере 1 диапазона температуру, чтобы вязкость стеклогранулята поверхностного слоя не превышала 10-10²Па·с. Отсутствие пузырьков в поверхностном слое изделия позволяет образовать эффектную зеркальную поверхность.

Таким образом, данный способ позволяет создать разнообразные по декоративным качествам прочные изделия с низкой теплопроводностью при минимальных энергозатратах с использованием разнообразного дешевого сырья.

Формула изобретения

1. Способ изготовления декоративно-облицовочных изделий, включающий термообработку в печи заготовки, содержащей внутренний, включающий песок, и внешний, включающий стеклогранулят, равномерно по толщине уплотненные слои путем разогрева до максимальной температуры, выдержки при этой температуре и двухэтапного охлаждения с выдержкой при постоянной температуре между этапами, отличающийся тем, что внутренний слой дополнительно включает стеклогранулят, оксид алюминия, шлак и связующее в виде жидкого или кристаллического водного стекла при следующем содержании компонентов, мас.

Песок Не более 25 Оксид алюминия 5 7 Шлак Не более 40 Связующее 2 8 Стеклогранулят Остальное поверхность внутреннего слоя увлажняют жидким стеклом и непосредственно на нее наносят внешний слой, максимальную температуру в процессе термообработки выбирают в диапазоне температура Литлтона стеклогранулята внешнего слоя плюс 30 80^oС, при максимальной температуре поддерживают перепад температуры по толщине заготовки не более Т_max/10, устанавливая на нижней поверхности внутреннего слоя температуру Литлтона cтеклогранулята этого слоя, а на первом этапе охлаждение производят со скоростью 10 30 град./мин до верхней температуры отжига стеклогранулята.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что внешний слой дополнительно включает оксиды Li, Na, K или Mg, Ca, Ba.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что заготовку размещают в теплостойкой форме, изготовленной из материала с коэффициентом температурного расширения не большим, чем у стеклогранулята заготовки.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что на внешний слой наносят дополнительный облицовочный слой прозрачного стекла с толщиной не менее суммарной толщины остальных слоев, а после термообработки торцевые поверхности заготовки полируют.

5. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что внутренний слой дополнительно содержит не более 40 мас. легковозгораемого вещества с температурой воспламенения не более 2/3 Т_max такого же гранулометрического состава, как остальные компоненты смеси, при достижении в процессе разогрева температуры воспламенения производят выдержку при этой температуре до полного удаления из слоя газообразных продуктов горения, затем наносят внешний слой заготовки.

6. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что в процессе выдержки при максимальной температуре на поверхности внешнего слоя поддерживают температуру Литлтона стеклогранулята этого слоя, а время выдержки выбирают из условия оплавления гранул до полного закрытия пор и отверстий на поверхности внешнего слоя.

7. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что после первого этапа охлаждения поверхность внешнего слоя закаливают путем обдува водяным туманом или воздухом, а начальная температура закалки выбирается на 50 100 ^oС выше температуры трансформации стеклогранулята внешнего слоя.

8. Способ по пп. 1-3,6 и 7, отличающийся тем, что во внутренний слой заготовки укладывают слоями стеклоткань, а расстояние между слоями стеклоткани равно размеру ее ячеек.

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что форма выполнена цилиндрической и снабжена торцевыми крышками, форму размещают в печи горизонтально и приводят во вращение со скоростью, обеспечивающей равномерное распределение по внутренней поверхности компонентов заготовки, производят засыпку внешнего слоя заготовки, нагревают его до температуры Литлтона и после равномерного растекания по внутренней поверхности формы охлаждают и засыпают в форму компоненты внутреннего слоя.

10. Способ по пп.1,2 и 7, отличающийся тем, что заготовку помещают непосредственно на строительную деталь, а термообработку производят совместно с последней.

11. Способ по пп.1,2,6-8, отличающийся тем, что заготовку изготавливают путем засыпки в разборную форму материала внутреннего слоя, во внешний слой перед засыпкой вводят 10-12 об. связующего, после уплотнения заготовку сушат, а перед помещением в печь извлекают из формы.

12. Способ по пп.1-11, отличающийся тем, что во внешний слой заготовки перед термообработкой вводят декоративные элементы из материалов с коэффициентом температурного расширения таким же, как у стеклогранулята этого слоя.

13. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что в процессе уплотнения поверхности заготовки придают криволинейную форму, при этом радиус кривизны поверхности выбирают из условия превышения сил вязкостного трения над скатывающей силой в процессе выдержки при максимальной температуре.

14. Способ по пп.1-13, отличающийся тем, что в процессе термообработки на режиме разогрева, выдержке при максимальной температуре и на первом этапе охлаждения заготовку выдерживают при вакууме 10-100 мм рт.ст.